Контакторы и тепловые реле

Контакторы это электромагнитные или полупроводниковые (твердотельные) устройства, предназначенные для частого дистанционного включения-выключения силовых электрических цепей и оборудования. В зависимости от модификации могут выполнять до нескольких тысяч коммутаций в час. Реле перегрузки представляет собой электрический аппарат, применяемый для защиты электроустановок от сверхтоков, при появлении которых реле отключает нагрузку управляя катушкой контактора.

На практике наибольшее применение получили контакторы электромагнитного типа. При подаче напряжения на катушку управления происходит перемещение сердечника, который при движении механическим способом замыкает силовые контакты. После снятия напряжения с катушки сердечник возвращается в исходное положение под действием пружины, что позволяет обесточить обслуживаемое оборудование или участок цепи.

Простота и относительно невысокая цена таких контакторов сделала их наиболее популярными на рынке. Такие контакторы устойчивы к пусковым токам и скачкам напряжения. К недостаткам же можно отнести шум при включении и работе контактора и наличии дугового разряда при включении или отключении нагрузки, который в последствии приводит к износу силовых контактов.

В отдельную категорию следует выделить твердотельные (полупроводниковые или электронные) контакторы, в которых все коммутационные процессы осуществляются без механического замыкания/размыкания контактов, а с помощью полупроводников ключей, которые меняют свое сопротивление в зависимости от наличия или отсутствия управляющего сигнала. Отсутствие механических, а значит изнашиваемых, контактов значительно увеличивает срок службы контактора.

Как и другие устройства на полупроводниковой базе, твердотельные контакторы отличаются значительным тепловыделением. По этой причине многие устройства этого класса выпускаются в сборе с радиаторами, в отдельных случаях с вентиляторами.

К положительным качествам полупроводниковых контакторов относится их практически мгновенная коммутация, значительно превосходящая по скорости контакторы электромагнитного типа, абсолютная бесшумность, невосприимчивость к вибрациям и ударным нагрузкам, надежность даже в условиях химически агрессивных или запыленных сред и практически неограниченный срок службы.

К недостаткам, помимо высоких температур при работе, можно отнести небольшие токи утечки, 5-10мА, вызванные неполным отключением цепи от входящей линии. Это может вызвать моргание в выключенном состоянии светодиодных и люминесцентных ламп. Также твердотельные контакторы плохо переносят скачки тока и напряжения. Выйдя из строя такой контактор чаще всего силовые контакты оставит замкнутыми, т.е. нагрузку не отключит, в отличии от электромагнитного контактора, у которого при выходе из строя катушки силовые контакты разомкнутся, и нагрузка отключится.

Стоит отметить, что все контакторы предназначены исключительно для коммутации нагрузки. Конструкция не предусматривает защиту, как собственную, так и обслуживаемых линий, от работы в нештатных режимах. Поэтому, как правило, они применяются в комплекте с дополнительными защитными устройствами, такими как реле перегрузки (тепловыми реле) или автоматы защиты двигателя (моторавтоматы). На полупроводниковых контакторах защита от перегрева может быть встроена опционально.

Как электромагнитные, так и полупроводниковые контакторы могут иметь реверсивные версии, которые позволяют менять направление вращения ротора двигателя, либо служат для переключения подающих электричество цепей. Электромагнитные реверсивные контакторы представляют собой сборку из двух контакторов и предустановленную между ними механическую или электромеханическую блокировку, исключающую одновременное включение двух контакторов.

Помимо реверсивных контакторных сборок существуют контакторные сборки «звезда-треугольник», предназначенные для запуска электродвигателей с тяжелыми условиями пуска. При этом запуск осуществляется в режиме «звезды» с последующим переключением в режим «треугольника» тем самым оптимизируя работу двигателя, сглаживая скачки тока в обмотках и обеспечивая плавный запуск. Это позволяет продлить ресурс электродвигателя.

Зачастую производителями предусмотрены различные аксессуары и шинные разводки, позволяющие собирать различные варианты контакторных сборок самостоятельно, но можно приобрести и готовые решения.

Помимо классификации по типу исполнительного элемента, контакторы отличаются своим назначением. В большинстве случаев применяют устройства следующих типов:

• Силовые контакторы для коммутации активной и индуктивной нагрузки в сетях с высокой силой тока и напряжением. В основном применяются для подключения мощного оборудования и в системах распределения электроэнергии.
• Вспомогательные контакторы, предназначенные для работы с небольшой нагрузкой разного типа. Широко применяются в цепях управления или в сетях с небольшими активными нагрузками.
• Специализированные контакторы получили применение в установках для компенсации реактивной мощности, оборудовании машин и механизмов с электродвигателями постоянного тока, железнодорожной отрасли.

По типу исполнения различают следующие виды контакторов:

• Промышленные контакторы, составляющие основную группу коммутационных устройств этого класса. Способны работать в сетях, в которых сила тока достигает 1250 А, в большей части представлены силовыми модификациями.
• Мини-контакторы, отличающиеся повышенной компактностью и работающие в цепях, сила тока в которых обычно не превышает 12 А. Могут монтироваться как на монтажную панель щита или DIN-рейку, так и непосредственно на электронные платы при помощи пайки.

В отдельную категорию выделяют модульные контакторы, получившие широкую сферу применения в основном в бытовых сетях. Основное отличие — выпускаются в стандартных модульных корпусах шириной 18 мм, что упрощает комплектацию щитового оборудования, позволяет увеличить плотности монтажа. От промышленных контакторов в стандартном исполнении отличаются следующими показателями:

• Основная сфера применения — цепи с активным типом нагрузки (АС-1). Ряд производителей допускают применение модульных контакторов для включения небольших индуктивных или конденсаторных нагрузок, в частности в цепях освещения, где присутствуют различные типы ПРА, или для управления электродвигателями и насосным оборудованием. Но при этом они дают строгие рекомендации по подбору контакторов с учетом величины пиковых токов, проявляющихся при включении тех или иных нагрузок (например, различных типов ламп).
• В основном используются для коммутации токов до 63А (AC-1), хотя в последнее время у ряда производителей стали появляться модульные контакторы на токи 100А (AC-1).
• В момент коммутации и удержания контакта создают меньший уровень шума, что позволяет обеспечить комфортные условия даже при установке непосредственно в жилых помещениях.
• Обладают широкой вариативностью силовой контактной группы, от 1-го до 4-х чередующихся в различных комбинациях нормально открытых и нормально закрытых контактов (1НЗ, 1НО, 2НО, 2НЗ, 1НО +1НЗ, 4НО, 4НЗ, 3НО+1НЗ и т.д.)
• Существуют модели модульных контакторов с ручным управлением коммутационными процессами.

Модульные контакторы могут комплектоваться дополнительными слаботочными контактами. В случаях установки вряд сразу нескольких контакторов, для предотвращения перегрева, модульные контакторы разделяются перегородками.

В завершении темы модульных контакторов нужно еще раз подчеркнуть, что в то время, как для промышленных контакторов характеристикой номинального тока является ток при нагрузке типа AC-3, токи модульных контакторов, принимаемые за номинальные, берутся для нагрузок AC-1 или AC-7a. Поэтому нужно четко помнить, что при подключении через модульный контактор индуктивной нагрузки, в частности электродвигателя, насосного или вентиляционного оборудования, контактор нужно брать минимум в три раза больше по току, чем рабочие токи оборудования, иначе придется регулярно менять контактор по причине его выхода из строя.

Для расширения функциональных возможностей контакторов в сложных системах автоматизации управления оборудованием и цепями применяют дополнительные аксессуары следующих типов:

• Вспомогательные блок-контакты в боковом и фронтальном исполнении с различной комбинацией замыкающих и размыкающих контактов.
• Реверсивные механические блокировки, которые предотвращают возможность одновременного включения двух контакторов. Применяются в реверсивных контакторах, которые обеспечивают вращение вала электродвигателя в противоположных направлениях, либо переключают с одной входящей линии на другую.
• Ограничители перенапряжения, обеспечивающие защиту аппаратуры цепи управления от всплесков напряжения при отключении контактора. Позволяют увеличить рабочий ресурс коммутационной аппаратуры и исключить перегорание управляющих выходов контроллеров.
• Реле времени для контакторов, обеспечивающие заданную выдержку при включении, функционирование обслуживаемой аппаратуры и сетей по заданному временному алгоритму.
• Тепловые реле для защиты электродвигателей от токов перегрузки, вызванных нештатными режимами работы, по причине с обрыва фазы, затяжного пуска или заклинивания ротора.
• Готовые шинные разводки для реализации реверсивных контакторных сборок или реализации схемы «звезда-треугольник».

Кроме того, контакторы могут быть укомплектованы защитными крышками, адаптерами для установки реле разного назначения.

В соответствии с действующим ГОСТ Р 50030.4.1-2012, магнитный пускатель — это комбинация всех коммутационных устройств, необходимых для пуска и остановки электродвигателя, с защитой от перегрузок.

Исходя из этого определения следует, что магнитные пускатели представляет собой смонтированные воедино коммутационные аппараты и средства защиты, позволяющие управлять работой электродвигателя и уберечь его от критического перегрева обмоток. По сути, простейший пускатель представляет собой комбинацию контактора и реле перегрузки (теплового реле), а также кнопок для пуска и останова двигателя. Как правило пускатели располагаются в металлическом или пластиковом корпусе, предотвращающем попадания пыли и влаги.

Конструкция контакторов не предусматривает защиту оборудования и сетей от работы в аварийном режиме. При превышении силы тока в цепи оборудования выше рабочих параметров, происходит перегрев обмоток электродвигателей электроустановок, что становится причиной их аварийного режима работы или выхода из строя. Проблему решают путем установки реле перегрузки, обеспечивающего отключение нагрузки при превышении тока в силовой цепи, вызванного обрывом фазы, затяжным пуском, продолжительным заклиниванием ротора или существенным понижением напряжения.

Наибольшую популярность для защиты электродвигателей от токов перегрузки получили тепловые реле. Их принцип работы основан на применении биметаллической пластины, выполненной из двух слоев разных металлов (как правило латунь-инвар, сталь-инвар и т.д.), отличающихся коэффициентом температурного расширения. При нагревании такая пластина, закрепленная одним концом, начинает удлиняться, но изменение длины происходит неравномерно по причине неоднородности применяемых металлов. Слой, выполненный из материала с меньшим коэффициентом теплового расширения, увеличивается меньше того, у которого коэффициент теплового расширения выше. Вследствие этого биметаллическая пластина начинает изгибаться в сторону слоя с меньшим сопротивлением и тем самым приводит в действие исполнительный механизм реле.

Можно встретить три варианта реализации контролирующего узла в тепловых реле:

1. контролируемый ток проходит непосредственно через биметаллическую пластину, нагревая его по мере увеличения;
2. ток проходит через дополнительный нагревательный элемент, расположенный рядом с пластиной и имеющий с ней тепловой контакт;
3. первые два варианта комбинируются, за счет чего повышается чувствительность реле.

Следует отметить, что отключение таких реле не происходит мгновенно, так как требуется время для нагрева и изменения формы биметаллической пластины. При рассмотрении токо-временной характеристики теплового реле можно увидеть, что для того чтобы отключить сверхтоки пятикратно превышающие номинальные, может понадобится всего несколько секунд, в то время как при токах перегрузки, превышающих номинальные всего на 30%, до отключения нагрузки может пройти несколько десятков минут. После срабатывания реле также потребуется некоторое время на остывание биметаллической пластины и возвращение ее в исходное состояние, после чего будет возможно снова его включить.

Тепловое реле перегрузки, как и многие реле, не способно само отключить силовую цепь при аварии. Оно лишь измеряет токи нагрузки и сравнивает их с номинальными или установленными. При превышении токами нагрузки заданных параметров тепловое реле переключает свои дополнительные слаботочные контакты, которые отключают контактор, а он уже в свою очередь отключает силовую цепь.

Несмотря на то, что тепловые реле производят огромное количество российских, европейских и азиатских производителей, конструктивно они все очень похожи. В верхней его части имеются силовые выводы для удобного подключения его к контактору. На лицевой части находится регулятор, с помощью которого можно более точно настроить ток уставки. Почти у всех реле есть возможность выбора ручного или автоматического включения после аварийного срабатывания. В первом случае реле можно будет повторно включить только непосредственно, нажав кнопку, а во втором оно включится автоматически через некоторое время после того как токи перегрузки вернутся в допустимые диапазоны. Помимо этого у реле установлена кнопка STOP для его мгновенного отключения и кнопка TEST для проверки исправности реле. Также на лицевой части располагается основной исполнительный элемент – контакты реле, которые переключаются при его срабатывании. Нормально закрытый контакт как правило служит для управления катушкой контактора, а нормально открытый для включения индикаторной лампы.

Отметим также, что тепловые реле этого типа подвержены влиянию температуры окружающего воздуха, поэтому в случаях жаркого климата или цехов с высокой температурой рекомендуется использовать тепловые реле, оснащенные компенсатором в виде дополнительной биметаллической пластины, изгибающейся в другую сторону относительно основных элементов. Компенсатор в таких устройствах связан с регулятором, который позволяет выполнить настройку уставки в диапазоне от 0,75 до 1,25 номинального тока с учетом поправок на температуру окружающего воздуха.

Тепловые реле получили широкое применение благодаря своей невысокой цене, компактности и надежности. Однако низкая скорость срабатывания, невысокая точность настройки и длительный выход в рабочий режим после аварийного отключения заставило разработать инженеров более технологически сложные устройства защиты.

В отличии от тепловых реле, в электронных реле перегрузки в качестве измерительного элемента используется трансформатор тока. Трансформатор тока постоянно измеряет значение тока в цепи, и в случае превышения им установленных параметров реле практически мгновенно переключает исполнительные контакты.

Электронные реле перегрузки имеют ряд преимуществ по сравнению с тепловыми реле:

• Постоянное измерение параметров цепи и быстродействие исполнительного механизма сокращает время отключения нагрузки до минимальных значений;
• Трансформаторы тока обеспечивают высокую точность измерения;
• Температура окружающей среды больше не влияет на работу устройства;
• Более широкий диапазон настроек значений тока;
• Возможность выбора класса расцепления реле.

Эти преимущества делают электронные реле перегрузки более предпочтительными для защиты особо ответственного и дорогостоящего оборудования.

Все описанные контакторы и тепловые реле представлены в этом разделе каталога. Если требуется помощь в подборе оптимального устройства этого класса, просто позвоните нам или оставьте заявку на сайте.