Простое термореле-автомат - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Инженерные решения

4584
Простое термореле-автомат

Стоимость оборудования электрических силовых шкафов мощностью сотни киловатт достигает на сегодняшний день несколько тысяч гривен и более. В аварийных ситуациях или близких к ним возникает перегрев отдельных элементов силового оборудования. Отсутствие системы защиты от перегрева может привести к выходу из строя установленных компонентов, повторных коротких замыканий проводников и стать причиной возникновения пожара. Эти негативные явления могут вызвать также сбои в роботе и аварийные ситуации силовых сетей, трансформаторов и генераторов. Таким образом, тепловой защите силового оборудования нужно уделять особое внимание при проектировании электроустановок.

Следует подчеркнуть, что в этой области существуют специализированные решения, которые легко найти в Интернете, например [1, 2]. По функциональности их можно разделить на реле-выключатели, которые выключают нагрузку до следующего ручного включения, и реле-автоматы, которые коммутируют нагрузку в соответствии с факторами опасности. Высокая цена и невозможность сочетания функций защиты являются их недостатками. Поэтому имеется необходимость в разработке дешевой, но эффективной и универсальной тепловой системы защиты или проще – термореле.

Принципиальная схема термореле, которое может работать и как выключатель, и как автомат, показана на рис.1 (см. прикрепленные данные).

В его структуре можно выделить такие функциональные узлы:

  • стабилизатор напряжения (DA1);
  • компаратор сравнения (DA2.1) с датчиком температуры (R4);
  • блок индикации (DA2.2);
  • управляющий триггер (DD1) с силовым ключом (VT1) и исполнительное реле (K1).

В качестве источника питания термореле должен использоваться внешний источник постоянного напряжения в пределах 11…15 В (номинальное 12 В), которое подается на контакты ХТ1–ХТ2. Это напряжение поступает непосредственно на обмотку реле К1 и стабилизатор на напряжение 9 В (DA1), который питает остальную часть схемы.

Компаратор сравнения DA2.1 используется в типовой инверсной схеме включения [3]. На его инверсный вход подается сигнал с делителя напряжения R2R3R4, в состав которого можно добавить внешний переменный резистор (контакты ХТ3–ХТ4) для регулирования максимальной температуры срабатывания термореле. Контакты ХТ5–ХТ6 предназначены для внешнего выносного датчика температуры или нескольких параллельно соединенных датчиков. На второй вход DA2.1 поступает опорный сигнал с делителя напряжения R6R7R8, который определяет диапазон контролированных температур. В данном случае в качестве датчика температуры использован термистор номиналом 4,7 кОм с экспериментальной температурною характеристикой, которая показана на рис.2. Здесь кривая 1 получена при нагреве, а кривая 2 – при охлаждении термистора.

На рис.3 показаны кривые температурной зависимости напряжения на R4 без дополнительного внешнего резистора (кривая 1) и с дополнительным резистором 4,7 кОм (кривая 2), а также указаны пороги срабатывания компаратора сравнения. Так, при параметрах, приведенных на схеме (рис.1 см. прикрепленные данные), диапазон контролируемых температур в первом случае составляет 50…72°С, а с введением внешнего резистора 4,7 кОм – до 33…48°С. Такие диапазоны выбраны с учетом того, что обычно в силовых шкафах применяются проводниковые элементы с допустимой температурой нагрева корпуса 70°С, а в некоторых случаях по техническим условиям необходимо поддерживать даже более низкие температуры. Иные значения и диапазоны температур могут быть заданы изменением значений сопротивлений делителей R2R3R4 и R6R7R8 и определены на основе соответствующих графических зависимостей, аналогичных показанным на рис.2 и рис.3. При этом целесообразно делителем R2R3R4 задавать необходимый ток датчика температуры, а делителем R6R7R8 выбирать диапазон контроля температуры.

Рис.2

Рис.3

 

Работа устройства

В исходном состоянии устройства транзистор VT1 открыт и реле К1 включено – его контакты ХТ9–ХТ11 замкнуты. При условии, когда контролируемая температура стает выше, чем допустимая, датчик формирует сигнал на переключение компаратора. Этот сигнал через помехоподавляющую цепь R10C9 поступает на вход триггера и далее выключает ключ VT1 и реле К1. При этом размыкаются контакты ХТ9ХТ11, которые используются для управления силовым шкафом. Контакт ХТ9ХТ10 (замкнутый в аварийной ситуации) может включать аварийную сигнализацию. Сигнал «Авария» дублируется блоком индикации DA2.2 непосредственно на плате термореле путем свечения светодиода HL1. Цепь R5C6 обеспечивает гистерезис DA2.1 при коммутации напряжения питания термореле.

Таким образом, при условии превышения допустимой температуры термореле не допустит работу силового шкафа, невзирая даже на отсутствие или коммутацию собственного питания, до тех пор, пока температура контролируемой зоны не снизится до заданного значения. В этом случае, после включения напряжения питания, термореле разрешит включить силовой шкаф. Для гарантированного запуска термореле служат цепи R11C8 и R16C10.

 

Другие применения устройства

Предложенное на рис.1 (см. прикрепленные данные) термореле-выключатель легко трансформируется в термореле-автомат для управления вспомогательными системами, например системой вентиляции силового шкафа. Для этого необходимо отсоединить от схемы выход элемента DD1.2 и соединить между собой входы элемента DD1.1 (рис.4). Теперь контакты реле К1 будут включать и выключать систему вентиляции в заданном диапазоне температуры.

Рис.4

 

Конструкция и детали

Микросхемы DA1 – LM78L09 или другой 9 В стабилизатор напряжения с максимальным током нагрузки 0,1 А. DA2 – LM293N, К1464СА1 или другие аналогичные. DD1 – К561ЛА7, HCF4011. VT1 – КТ3102Б, В или другой с Uкэ>20 В, Ік>0,1 A, h21э>200.

Конденсаторы С2, С4–С10 – керамические типа 0805 X7R ±10% с рабочим напряжением не менее 16 В. Конденсаторы С1, С3 – электролитические типа EXR (MURATA) либо другие на рабочее напряжение 16 В.

Терморезистор R4 – термистор значением 4,7 кОм, ±3% фирмы Vishay (каталожный номер 23816406472) или другой, предназначенный для измерения температуры.

Резисторы R6–R8 – 0805, ±1%, остальные ±5%.

Реле – RM50-3011-85-1012 для температур до 55°С и RM40-3011-85-1012 – до 85°С или другие с напряжением срабатывания в пределах 9…15 В и током до 40 мА, рассчитанное на коммутацию напряжения 220 В/50 Гц, и на ток, соответствующий нагрузке.

Контакты ХТ – клеммные сборники HU-WH на соответствующее количество контактов или какие-либо другие с расстоянием между контактами 2,5 мм. Чертеж печатной платы габаритными размерами 50х35 мм с посадочным местом для реле RM50-3011-85-1012 показан на рис.5.

Рис.4

 

Настройка термореле

Она заключается в точном подборе резистора R2 или R3 по диапазону контролируемых температур для каждого экземпляра термистора R4. При этом термистор нагревают в термошкафу, а температуру в нем контролируют с помощью термопары или термометра.

Необходимо отметить, что в некоторых случаях следует учитывать превышение конечной температуры в шкафу после срабатывания термореле и обесточивания шкафа. Экспериментально установлено, что при настройке на максимальную температуру 70°С и при условии нагревателя мощностью 500 Вт, превышение конечной температуры при пассивном охлаждении может достигать 5…10°С и быть опасным для оборудования шкафа. Поэтому для повышения надежности защиты необходимо выбирать разумный запас по допустимой температуре. Также данное термореле не реагирует на разрыв цепи выносного датчика температуры, поэтому должны приниматься меры для повышения надежности соединительного кабеля, который к тому же должен быть экранирован.

На фото показан внешний вид собранного устройства. Следует заметить, что в данном случае датчик температуры выполнен в выносном варианте, поэтому применено реле RM50-3011-85-1012. Стоимость деталей такого термореле не превышает 2–3 евро даже в единичном варианте изготовления, а по надежности, функциональности и универсальности оно не уступает более дорогим аналогам.

 

Литература

  1. ww.masterkit.ru.
  2. ww.microelectronica.ru.
  3. аповалов М., Шестаков А., Минина Н. К1464СА1 – два компаратора напряжения с выходом «открытый коллектор»//Радио. – 2004. – №5. – С.47–48.
Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus