Przekaźnik termiczny – jak działa i przed czym chroni silnik?

Przekaźnik termiczny chroni silnik przede wszystkim przed przeciążeniem cieplnym. Nie jest to zabezpieczenie zwarciowe. Jego zadaniem jest wykrycie sytuacji, w której silnik przez zbyt długi czas pobiera prąd wyższy od dopuszczalnego, a przez to zaczyna się nadmiernie nagrzewać. Typowy przekaźnik termiczny współpracuje ze stycznikiem: sam zwykle nie odcina mocy jak wyłącznik, tylko przez styki pomocnicze wyłącza cewkę stycznika i zatrzymuje napęd. Tego typu zabezpieczenie ma chronić nie tylko przed przeciążeniem, ale zwykle również przed skutkami zaniku fazy lub silnej asymetrii w silnikach trójfazowych.

Czym dokładnie jest przekaźnik termiczny?

Przekaźnik termiczny to aparat ochronny montowany najczęściej razem ze stycznikiem w torze zasilania silnika. Jego funkcja jest ściśle związana z nagrzewaniem uzwojeń. Silnik nie ulega uszkodzeniu dlatego, że przez ułamek sekundy popłynął większy prąd, tylko dlatego, że zbyt duży prąd trwa na tyle długo, iż przekracza dopuszczalne obciążenie cieplne. Właśnie ten model pracy odwzorowuje przekaźnik termiczny.

Z praktycznego punktu widzenia oznacza to, że przekaźnik termiczny nie powinien wyłączać silnika przy każdym cięższym rozruchu. Ma zadziałać dopiero wtedy, gdy warunki pracy zaczynają być niebezpieczne dla uzwojeń. Dlatego poprawny dobór aparatu zawsze musi uwzględniać nie tylko prąd znamionowy, ale także sposób rozruchu i charakter obciążenia.

Jak działa przekaźnik termiczny?

Klasyczny przekaźnik termiczny działa na zasadzie elementów bimetalicznych nagrzewanych przez prąd silnika. Prąd płynący do silnika nagrzewa bimetal, a gdy przeciążenie utrzymuje się odpowiednio długo, element odkształca się i uruchamia mechanizm przełączający styki pomocnicze. W rezultacie odpada stycznik i silnik zostaje odłączony od zasilania.

To ważne, bo w praktyce często miesza się funkcję przekaźnika termicznego z wyłącznikiem silnikowym albo zabezpieczeniem nadprądowym. Termik nie jest szybkim aparatem zwarciowym. To zabezpieczenie przeciążeniowe o działaniu zależnym od czasu i obciążenia cieplnego. Jego logika jest z natury wolniejsza niż logika zabezpieczenia zwarciowego, bo ma naśladować zachowanie cieplne silnika, a nie reagować natychmiast na każdy wzrost prądu.

Przed czym chroni silnik?

Podstawowa funkcja to ochrona przed długotrwałym przeciążeniem. Taka sytuacja może wynikać z nadmiernego obciążenia mechanicznego, zablokowania napędu, zbyt ciężkiego rozruchu, problemów z przekładnią, pompy, wentylatora albo innego elementu wykonawczego. W każdej z tych sytuacji rośnie prąd, a razem z nim temperatura uzwojeń. Przekaźnik termiczny ma zadziałać, zanim izolacja silnika zacznie ulegać przyspieszonemu starzeniu albo trwałemu uszkodzeniu.

Drugim istotnym obszarem ochrony jest zanik fazy i skutki pracy niesymetrycznej. Przy zaniku jednej fazy silnik może nadal próbować pracować, ale prądy w pozostałych torach rosną i bardzo szybko prowadzą do przegrzania. Z punktu widzenia eksploatacji to jedna z najważniejszych funkcji praktycznych takiego zabezpieczenia.

Przed czym nie chroni?

Przekaźnik termiczny nie zapewnia ochrony zwarciowej. To trzeba powiedzieć wprost. Jeżeli w układzie wystąpi zwarcie, sam termik nie jest urządzeniem, które ma je skutecznie wyłączyć. Do tego potrzebne jest oddzielne zabezpieczenie zwarciowe.

W praktyce oznacza to prostą zasadę. Jeżeli w układzie jest tylko stycznik i przekaźnik termiczny, to ochrona silnika jest niepełna. Potrzebne jest jeszcze zabezpieczenie zwarciowe, na przykład bezpiecznik, wyłącznik nadprądowy odpowiedniego typu albo wyłącznik silnikowy o właściwej koordynacji z resztą aparatury. Bez tego sam termik nie zabezpiecza układu przed skutkami zwarcia. Po takim zdarzeniu często trzeba też ocenić stan izolacji uzwojeń, a nie tylko wymienić aparat i uruchomić napęd ponownie.

Jak ustawia się przekaźnik termiczny?

Podstawą nastawy jest prąd znamionowy silnika odczytany z tabliczki znamionowej oraz instrukcja producenta konkretnego przekaźnika. Nastawa powinna odnosić się do prądu znamionowego silnika, a nie do przypadkowo przyjętej wartości „na zapas”. To ważne, bo częstym błędem jest celowe zawyżanie nastawy, żeby aparat „nie wybijał” przy cięższej pracy. Wtedy przekaźnik przestaje realnie chronić silnik.

W praktyce dobór nie kończy się jednak na samym prądzie. Trzeba uwzględnić warunki pracy, temperaturę w szafie, charakter rozruchu i układ połączeń. To szczególnie ważne w maszynach z ciężkim rozruchem, napędach bezwładnych oraz tam, gdzie silnik pracuje w niestandardowej konfiguracji.

Co oznaczają klasy wyzwalania 10A, 10, 20 i 30?

Klasa wyzwalania określa, jak szybko zabezpieczenie ma zadziałać przy określonym przeciążeniu. Nie jest to detal katalogowy, tylko parametr bardzo praktyczny, bo decyduje o tym, czy zabezpieczenie dopuści normalny rozruch, czy zadziała za wcześnie.

Dla uproszczenia można przyjąć taki podział:

W praktyce klasy wyższe stosuje się tam, gdzie rozruch trwa dłużej i nie można dopuścić do niepotrzebnych wyłączeń. Zbyt szybka klasa będzie powodowała wyzwolenia przy rozruchu. Zbyt wolna może dopuścić zbyt duże obciążenie cieplne silnika. Dlatego klasa powinna wynikać z zachowania napędu, a nie z przyzwyczajenia.

Kompensacja temperatury otoczenia

Dobre przekaźniki termiczne mają kompensację temperatury otoczenia. To ważne, bo aparat zamontowany w nagrzanej rozdzielnicy pracuje w innych warunkach niż ten sam aparat w chłodnym otoczeniu.

Z punktu widzenia eksploatacji oznacza to, że nie wystarczy patrzeć tylko na nastawę prądową. Jeżeli warunki w szafie są ciężkie, a temperatura stale podwyższona, dobór zabezpieczenia powinien to uwzględniać. W przeciwnym razie aparat może zadziałać zbyt wcześnie albo zbyt późno względem rzeczywistego obciążenia cieplnego silnika.

Reset ręczny i automatyczny

Wiele przekaźników pozwala wybrać reset ręczny albo automatyczny. Z punktu widzenia bezpieczeństwa ręczny reset jest często rozwiązaniem lepszym, bo wymusza sprawdzenie przyczyny zadziałania przed ponownym uruchomieniem napędu.

To nie jest drobiazg eksploatacyjny. W niektórych aplikacjach automatyczny powrót po schłodzeniu mógłby doprowadzić do samoczynnego restartu maszyny w niebezpiecznym momencie. Dlatego wybór trybu resetu powinien wynikać z logiki pracy układu i oceny ryzyka, a nie z wygody montażu.

Przekaźnik termiczny a wyłącznik silnikowy

Przekaźnik termiczny i wyłącznik silnikowy to nie to samo. Klasyczny termik odpowiada głównie za ochronę przeciążeniową i zwykle współpracuje ze stycznikiem. Wyłącznik silnikowy może łączyć w jednym aparacie ochronę przeciążeniową i zwarciową.

W praktyce nie należy używać tych pojęć zamiennie. Jeżeli w dokumentacji projektu wpisano przekaźnik termiczny, to nie znaczy jeszcze, że układ ma pełną ochronę zwarciową. Jeżeli użyto wyłącznika silnikowego, nie oznacza to automatycznie, że każdy dodatkowy termik jest zbędny. Trzeba patrzeć na cały układ i jego koordynację.

Szczególny przypadek: gwiazda–trójkąt i falownik

W układzie gwiazda–trójkąt miejsce montażu przekaźnika ma duże znaczenie. Gdy przekaźnik jest zainstalowany przy styczniku liniowym, nastawa w takim układzie może wynosić około 0,58 prądu silnika, ponieważ właśnie taki prąd płynie w tym miejscu toru przy tej konfiguracji. To jeden z tych szczegółów, które w praktyce często są pomijane, a potem układ zabezpieczenia działa nieprawidłowo.

Podobnie ostrożnie trzeba podchodzić do napędów z falownikiem. Przy zasilaniu z przekształtnika trzeba uwzględnić specyfikę takiego układu, bo rzeczywisty prąd i warunki cieplne mogą odbiegać od prostego modelu sieciowego. To znaczy, że przekaźnik termiczny w aplikacji z falownikiem nie powinien być dobierany automatycznie według uproszczonego schematu dla klasycznego rozruchu bezpośredniego.

Najczęstsze błędy w praktyce

Najczęściej spotykane błędy są dość przewidywalne. Pierwszy to traktowanie przekaźnika termicznego jak zabezpieczenia zwarciowego. Drugi to zawyżanie nastawy, żeby uniknąć niepożądanych wyłączeń. Trzeci to ignorowanie klasy wyzwalania i rzeczywistego czasu rozruchu. Czwarty to błędna nastawa w układzie gwiazda–trójkąt. Piąty to pozostawienie automatycznego resetu tam, gdzie układ powinien wymagać świadomego potwierdzenia po zadziałaniu.

Z perspektywy zakładu największy problem zwykle nie wynika z awarii samego aparatu, tylko z błędnego doboru. Przekaźnik fizycznie jest w szafie, ale nie odpowiada silnikowi, rozruchowi albo rzeczywistym warunkom pracy. Wtedy zabezpieczenie albo wyłącza zbyt często, albo nie chroni wtedy, kiedy naprawdę powinno, co później wychodzi przy analizie alarmów i nadzorze pracy w systemach SCADA.

Podsumowanie

Przekaźnik termiczny chroni silnik przed przeciążeniem cieplnym, a nie przed zwarciem. Działa najczęściej na zasadzie nagrzewania bimetalu przez prąd silnika i przez styki pomocnicze wyłącza stycznik, gdy przeciążenie trwa zbyt długo. Prawidłowo dobrany aparat powinien być ustawiony według prądu znamionowego silnika i charakteru jego rozruchu, z uwzględnieniem klasy wyzwalania, temperatury otoczenia, konfiguracji układu i ewentualnej pracy z falownikiem. W praktyce jest to podstawowe zabezpieczenie przeciążeniowe napędu, ale tylko jako część większego układu ochrony, który musi obejmować również zabezpieczenie zwarciowe.

Źródła:

IEC 60947-4-1 – norma dla styczników, rozruszników i urządzeń ochrony silników
Schneider Electric – materiały o klasach wyzwalania i ochronie zwarciowej
ABB – materiały o przekaźnikach termicznych i ochronie przed zanikiem fazy
Siemens – materiały o klasach wyzwalania i nastawie dla układów gwiazda–trójkąt