Тепловые реле

 

Для защиты двигателей от перегрузок наиболее широкое распространение получили тепловые реле с биметаллической пластинкой. Принцип действия биметаллических тепловых реле основан на разности линейного удлинения двух пластин, выполненных из различных материалов.

Рис. 5.3.1. Биметаллическая пластинка

Рис. 5.3.2. Времятоковые характеристики реле

Биметаллическая пластинка (рис. 5.3.1) состоит из двух слоев металлов с разными коэффициентами линейного расширения a₁ и a₂. Слои металла соединяются либо сваркой, либо прокаткой в горячем состоянии. При нагревании такая пластинка изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения. Эти свойства биметалла используются в тепловых реле, которые срабатывают при определенной величине тока, питающего защищаемый объект. Механическое усилие, затрачиваемое на преодоление сил, противодействующих изгибу, используется для воздействия на исполнительные элементы реле — контакты.

В тепловых реле применяются биметаллы, у которых в качестве материала, обладающего низким коэффициентом линейного расширения, используется железоникелевый сплав — инвар, а в качестве материала, имеющего высокий коэффициент линейного расширения, — хромоникелевые, молибдено-никелевые и немагнитные стали.

Нагрев биметаллического элемента может происходить либо за счет тепла, выделяемого в пластине током нагрузки, либо от специального нагревателя, охватывающего биметалл. Ток нагрузки в этом случае протекает по нагревателю. В некоторых реле используется комбинированный способ нагрева биметалла, когда ток нагрузки проходит по пластинке и нагревательному элементу.

Основной характеристикой теплового реле является времятоковая характеристика, представляющая собой зависимость времени срабатывания от тока нагрузки (рис. 5.3.2, кривая 1). Некоторые реле при коротких замыканиях имеют время срабатывания больше времени термической устойчивости. Поэтому в этих случаях цепь реле необходимо защищать предохранителями.

При защите электрических двигателей от перегрузок времятоковая характеристика реле должна удовлетворять следующим условиям:

· отключение двигателя должно происходить при перегреве, не превышающем допустимых значений;

· время срабатывания реле должно быть таким, чтобы можно было полнее использовать перегрузочную способность двигателя и позволять осуществлять прямой пуск асинхронных двигателей от сети.

Для осуществления надежной защиты необходимо согласовать времятоковые характеристики реле с перегрузочной (тепловой) характеристикой двигателя. При правильно выбранном реле его характеристика (рис. 5.3.2, кривая 1) должна располагаться ниже и вблизи характеристики нагрева двигателя (кривая 2). Для защиты необходимо, чтобы постоянные времени реле и защищаемого объекта были одинаковыми. В эксплуатационных условиях согласование характеристик реле и двигателя достигается выбором реле с номинальным током, равным номинальному току двигателя. В этом случае обычно обеспечивается срабатывание реле при 1,35—1,4I_ном в течение 5—20 мин.

На величину тока срабатывания реле оказывает влияние температура окружающей среды. С ее ростом время срабатывания уменьшается. Для уменьшения влияния окружающей температуры на время срабатывания при разработке реле необходимо выбирать рабочую температуру биметалла как можно более высокую. Кроме того, для компенсации прогиба биметаллической пластинки, возникающего при действии температуры окружающей среды, иногда применяют вторую, компенсационную пластинку, с помощью которой происходит температурная компенсация.

Рис. 5.3.3. Тепловые реле типа ТРТ

Тепловые реле серии ТРТ-100. Для защиты от перегрузок электродвигателей постоянного и переменного тока напряжением до 500 В в судовых установках используются тепловые реле серии ТРТ-100. Они выполняются пяти габаритов на номинальные токи тепловых элементов от 1,75 до 550А. Реле первой — пятой величин имеют одинаковый корпус и различаются конструктивными формами биметаллических пластин и размерами выводных зажимов. Реле пятого габарита смонтировано на трансформаторе тока. Реле могут иметь добавочные нихромовые нагреватели, которые включаются последовательно, параллельно или параллельно-последовательно с биметаллической пластиной, а также шунты, позволяющие регулировать величину тока в биметалле. Основным рабочим элементом у реле всех типов является термобиметалл — инвар — сталь. Реле ТРТ (рис. 5.3.3) имеет пластмассовый корпус 1, в котором смонтированы все детали. Биметаллическая пластина 9 имеет U-образную форму и укреплена на оси 10. На правый конец пластины опирается цилиндрическая пружина 8. Другой конец пружины опирается на пластмассовую уравновешенную изоляционную колодку 7, несущую контактный мостик 6 с серебряными контактами 5. Колодка может поворачиваться вокруг оси 4. Контакты реле — мостикового типа.

Левый конец термобиметаллической пластины соединен с механизмом уставки 2, позволяющим регулировать ток уставки путем изменения первоначальной деформации биметаллической пластины.

При токах перегрузки, равных или больших уставки, пластина поворачивает изоляционную колодку 7, которая, опрокидываясь, отключает размыкающий контакт реле.

Самовозврат реле в исходное положение происходит автоматически в течение не более 3 мин, а ручной возврат при нажатии кнопки 3 — в течение не более 1 мин после срабатывания. Значение тока уставки реле указывается на его щитке. При нагреве током, равным 1,1 I_ном тока уставки, реле не срабатывает в длительном режиме.

Тепловые реле ТРТ обеспечивают защиту двигателей в следующих условиях: при длительной (свыше 20 мин) перегрузке двигателя током свыше 135% I_ном; при затяжном пуске; при обрыве одной фазы, если двигатель имеет номинальную нагрузку.

Регулятор позволяет изменять номинальный ток уставки реле в пределах ±15% номинального тока теплового элемента. Контакты реле коммутируют переменный ток до 10А при cos j = 0,4 и напряжении 380В или постоянный ток 0,5А — в индуктивной цепи с постоянной времени 0,05с напряжением 220В. Электродинамическая устойчивость 18 I_ном. Электрическая износоустойчивость 10 000 срабатываний.

Электродвигатели, работающие при частоте 400 Гц, имеют относительно большое время разгона. В этом случае применение реле серии ТРТ для их защиты не всегда возможно, так как они в нагретом состоянии при пуске могут срабатывать за 0,5—1с.

Тепловое реле серии ТРМТ применяется для защиты электроприводов переменного тока при частоте 400 Гц. Они выпускаются четырех габаритов на номинальные токи тепловых элементов от 0,5 до 220 А.

По конструкции реле ТРМТ аналогично реле ТРТ, но имеет насыщающийся трансформатор тока, который создает нелинейную зависимость потребляемой мощности нагревателем при различных токах перегрузки.

При токе, равном 1,1 I_ном тока уставки, реле не срабатывает в длительном режиме, а при токе 1,35 I_ном реле срабатывает за 4— 10 мин. Регулятор позволяет изменять номинальный ток уставки в пределах ± 25% номинального тока теплового элемента. Время самовозврата реле 1—3 мин.

Реле имеет один размыкающий контакт с коммутационной способностью, аналогичной реле ТРТ. Электродинамическая и односекундная термическая устойчивость составляет 20 I_ном.

Температурное реле Т4 применяется для защиты электродвигателей или комплектных устройств управления от превышения температуры выше заданного уровня и располагается в корпусе защищаемого, объекта. Оно состоит из вогнутого по сфере биметаллического элемента (диска), заключенного в пластмассовый корпус. В центре элемента имеется регулировочный винт и подвижные контакты. Неподвижные контакты установлены на корпусе реле.

Реле срабатывает при температуре 70—90°С и возвращается в исходное положение при температуре 50—65°С. Максимальная температура на поверхности корпуса реле 110°С.

Рис. 5.3.4. Схема термоизвещателя типа ТРВ-1

К недостаткам тепловых реле можно отнести следующее: тепловые реле имеют нестабильные характеристики, которые изменяются как с течением времени, так и с температурой окружающей среды; амперсекундные характеристики реле иногда трудно согласовать с допустимой характеристикой нагревания двигателя. Кроме того, тепловые реле не защищают двигатели, работающие в повторно-кратковременном режиме, так как постоянные времени реле и двигателя различные.

В настоящее время для защиты двигателей и генераторов от перегрузки начинают применяться термосопротивления из полупроводниковых материалов.

Термосопротивление располагают в лобовой части обмотки или в железе статора так, чтобы оно касалось изоляции обмотки. В этом случае температура нагрева изоляции обмотки и термосопротивления будет практически одинаковой. При повышении температуры выше предельно допустимой оно резко уменьшает свое сопротивление. В цепи, в которой оно включено, происходит скачкообразное, увеличение тока, характеризующее наличие перегрузки. При таком способе защиты контролируется непосредственно температура изоляции обмоток, поэтому он является более совершенным по сравнению с ранее рассматриваемыми способами защиты тепловыми реле.