Зачем нужно реле контроля фаз?

В обычных бытовых сетях, состоящих только из фазного и нулевого провода, проблем с путаницей фаз возникнуть не может. Тем не менее, в промышленности большинство аппаратов требует трёхфазного напряжения, которое должно подаваться строго таким образом, как это предусмотрено конструктивным исполнением устройств. От правильности подключения зависит не только работоспособность оборудования, но и их исправность в целом, корректная и долговременная работа. В свою очередь, любые ошибки в коммутации могут повлечь за собой снижение максимальной мощности, серьёзные поломки, остановку производства и большие незапланированные траты. В системах со множеством вращающихся механизмов оплошность в подключении может привести к неверному направлению вращения элементов, что разительно скажется на принципе действия устройства. Даже те системы, которые могут быть рассчитаны на двустороннее движение (вентиляционное и насосное оборудования) на определённых участках производственной линии всегда должны работать только в одном направлении.

Следует понимать, что промышленное оборудования несравнимо по сложности с обычными светильниками или простенькими приборами для быта. Любое неверное поведение станков и агрегатов чревато серьёзными последствиями, вплоть до масштабных аварий с человеческими жертвами. Среди часто встречающихся неисправностей устройств с питанием от трёх фаз называют обрыв фазы, перекос фаз и слипание фаз. Всё это ведёт к потерям в мощности двигателей, перегреву их обмоток и полному выходу узлов из строя. Безусловно, существуют и другие типы поломок, которые могут привести к неприятностям разного рода. Как раз для того, чтобы исключить возможность возникновения любых подобных ситуаций и существуют реле контроля фаз (РКФ). В отличие от других видов датчиков и реле, РКФ просто временно обесточивает оборудование, а не переводит его в иной рабочий режим. Реле контроля фаз является именно защитным модулем, а не просто средством автоматизации работы силовых цепей в трёхфазных электросетях. Своевременное отключение нагрузки сохраняет исправность как оборудования, так и питающей линии, что бывает критически важно именно на производстве, где исключение одного звена с большой долей вероятности может привести к непредсказуемым последствиям.

Как устроены реле контроля фаз

С точки зрения конструктивного исполнения РКФ нельзя отнести к слишком сложным изделиям. В первом приближении они представляют собой достаточно тривиальное электромагнитное реле, оснащённое управляющим микроконтроллером. Электроника постоянно мониторит характеристики тока – его напряжение по каждой из трёх фаз и частоту. Как только обнаруживается один из факторов опасности (пропадание фазы, асимметрия параметров тока), питание тут же отключается. В последующем, когда аварийная ситуация будет устранена, РКФ заново просканирует состояние сети и снова подключит нагрузку.

В случае, если нарушена последовательность фаз, реле не даст заново коммутировать силовое оборудование. Данный функционал наиболее полезен при эксплуатации агрегатов, которые часто приходится перемещать по цеху, заново подключать и настраивать. В подобных обстоятельствах ещё сложнее полностью исключить человеческий фактор, а потому РКФ оказывается как нельзя кстати.

Для того, чтобы иметь возможность легко размыкать и замыкать пары цепи, реле контроля фаз обычно имеет две группы совершенно независимых друг от друга клемм с нормально замкнутыми и нормально разомкнутыми контактами. Немало моделей РКФ поддаются регулированию минимального и максимального порога срабатывания по входному напряжению, а также имеют функционал задержки срабатывания, позволяющий компенсировать нестабильность вольтажа в сети, если это кратковременное явление.

Реле контроля фаз выпускаются в разном конструктивном исполнении, что позволяет закреплять их и как отдельно стоящие устройства, и как элементы модульного наполнения распределительного щита. Тип крепления позволяет устанавливать на монтажные панели или дин-рейку наряду со многими другими компонентами защитной автоматики. Все необходимые пользователям органы управления и индикаторы выведены на лицевую панель, так что при внезапном отключении человек легко сможет получить информацию, в чём именно проблема.

В зависимости от того, для каких электрических систем РКФ предназначается, а также по сопутствующей обстоятельствам величине вольтажа, обычно различают три категории моделей:

• для защиты генераторов, устройств автоматического ввода резервного питания, источников бесперебойного питания и аккумуляторов;
• для мониторинга напряжения реверсивных приводов (до 75 кВт);
• для защиты электродвигателей и их блоков питания (при вольтаже до 100 кВт).

Наиболее продвинутые РКФ имеют несколько диодов-сигнализаторов и до четырёх-пяти потенциометров, позволяющих регулировать отдельные характеристики сети или нагрузки. Индикаторы показывают наличие питания в системы, а также присутствие подключённых приборов. Потенциометры помогают настроить режим работы, сбалансировать асимметрию трёхфазной сети, откалибровать чувствительность к проседанию вольтажа, задать значение по умолчанию для времени срабатывания автоматики. К большому сожалению, изделия из общего потребительского сегмента обычно предлагают не более двух-трёх способов регулирования настроек работы, однако для рядовых пользователей в частных домохозяйствах и коттеджах этого полностью достаточно.

С точки зрения реализуемых функций реле контроля фаз предлагает четыре главнейших операции:

• контроль за уровнем электрического напряжения (в основном направлен на отслеживание выхода за допустимые верхние пределы);
• учёт принципа чередования фаз – РКФ должен быть способен в автоматическом режиме производить коммутацию при внезапном возникновении явления слипания фаз, а также переподключение (если это возможно) при их неверном расположении относительно штатных контактов силового оборудования;
• контроль отсутствия фазы – реле отключает потребителей от линии при разрыве питающей линии и отсутствии напряжения;
• исключение перекоса фаз – РКФ умеет осуществлять коммутацию при изменении фазного или линейного вольтажа по отношению к номинальному значению.

Отличие от другой автоматики и сфера приложения

Не для всех очевидно, чем именно реле контроля фаз отличается от того же реле напряжения или УЗИП, особенно трёхфазного. На самом деле между ними целая группа отличий, но основным является то, что реле контроля напряжения напрямую зависит от ЭДС в сети питания, а на РКФ она никак не влияет. В данном случае во внимание принимается только величина силы тока.

Кроме того, важнейшим отличием реле контроля фаз от множества иных устройств автоматики является двусторонний мониторинг системы. РКФ может фиксировать и реагировать на скачки не только во внешней питающей сети по всем трём фазам, но и анализировать процессы, происходящие в самой нагрузке. Таким образом, оно до определённой степени берёт на себя функции автоматических выключателей, вовремя предотвращая случаи перегрева и перегруза, а также короткого замыкания в системе.

Довольно очевидной, но при этом не менее полезной в совокупности с остальными является функция фиксации напряжения. В то время, как обычная автоматика реагирует только на изменение силы тока во время нормальной работы электродвигателей, РКФ фиксирует и напряжение, давая электронике возможность всестороннее контролировать работу устройства. Вдобавок, реле может определить разницу в уровнях питающих напряжений, связанную с тем, что каждая отводная линия нагружается не одинаково. Если такая ситуация коснётся работы двигателя, РКФ сумеет вовремя диагностировать перегрев и предотвратить поломку агрегата, а также исключит термическую порчу изоляции в ключевых местах.

Сегодня реле контроля фаз зачастую рассматривается в связке с разными типами электродвигателей – как наиболее нуждающимися в подобной защите элементами силовых цепей. Справедливо будет сказать, что именно здесь РКФ раскрывается в полной мере, обрастая необходимыми нюансами. К примеру, многие другие виды реле не способны обеспечить реальную защиту от так называемого регенерированного напряжения. Если вдруг случится так, что при работе электродвигателя одно из фазных напряжений пропало, ротор продолжит вращение и будет вполне способен набрать необходимые рабочие показатели на двух оставшихся. В этот момент в линии обесточенной фазы из-за вращения будет генерироваться своя, новая ЭДС. Нарушения в процессе не усмотрят ни контакторы, ни аварийная автоматика, зато ближе к останову устройства может произойти его поломка, и уже в следующий раз оно просто не включится снова. А вот реле контроля фаз с самого начала эксплуатации двигателя будет непрерывно мониторить состояние напряжений во всех узловых точках системы, а потому сумеет вовремя обнаружить смещение фазового угла и остановить работу агрегата, не допустив наводки ЭДС в обесточенной части. Подобная реализация защиты крайне важна для тех случаев, когда технологический процесс построен на периодической смене направления вращения ротора. Реверсный режим может повредить станок из-за попытки запуститься при некорректном напряжении, с повышением силы тока, а также привести к физической поломке прямо во время вращения, что угрожает персоналу предприятия серьёзными травмами.

Вообще для людей, непосвящённых в разные аспекты электрики, часто непонятно, в чём суть проблемы, поскольку они рассматривают трёхфазную сеть только в качестве трёх однофазных, и не принимают их во внимание как единую совокупность с отличающимися свойствами. Потому не лишним будет повторить: каждый промышленный агрегат, станок или аппарат, может иметь сразу несколько контактных клемм для подключения (обычно до пяти). Этим же обусловливается, что все компоненты – те же двигатели, при изначально верном подключении будут вращаться в правильных направлениях. Если же какие-то фазы (или все они) перепутаны – подвижные элементы всё так же будут вращаться, но не в тех направлениях, как нужно. Часто это приводит к рассинхронизации отдельных фрагментов оборудования, их столкновению и излому – особенно если это шестерни или асимметричные компоненты станка.

Сегодня в самых технически продвинутых РКФ имеется микросхема, которая способна производить анализ прибора-нагрузки и определять порядок чередования фаз. Это означает, что любую фазу можно подключить к любой клемме и электроника сама перебросит цепи так, как требуется, установив верный порядок срабатывания контактов. Тем не менее, на подавляющем большинстве реальных производств такие системы ещё не стоят, а потому коммутировать агрегаты с соблюдением фазности приходится вручную.

Часто производитель РКФ не предписывает точное местоположение устройства в общей схеме предприятия, из-за чего на каждом заводе реле контроля фаз может оказаться подключённым по-своему. Где-то оно включено в контрольные цепи вместе со звонком и лампочкой оповещения, где-то – в линии питания модуля целиком, где-то – только к катушкам двигателя и пр. Наиболее опытные монтажники советуют присоединять РКФ к общей аварийно-контрольной цепи: так неисправный аппарат просто не сможет запуститься и персонал точно обратит на него внимание своевременно.

Для отслеживания пропадания фазы или понижения вольтажа сегодня всё ещё нередко применяют тепловые реле или так называемые мотор-автоматы. Оба изделия реагируют на тепловой фон, связанный с перегрузом – а это уже критичное состояние оборудования. Достоинство реле контроля фаз в том, что оно представляет собой электронное устройство, которому нужно лишь 1,5-2 секунды на срабатывание после обнаружения неполадки. За этот период двигатель просто не успеет перегреться и повредить свои обмотки.

Сегодня реле контроля фаз считается одним из самых необходимых элементов в системах питания промышленного оборудования. Изделие имеет сравнительно невысокую цену даже по современным меркам, но при этом эффективно предотвращает существенный финансовый и технический ущерб предприятий. Щитовое оборудование, не включающее в себя РКФ, сейчас считается несовременным и даже потенциально опасным для обеспечения постоянной работы по выпуску продукции.