Электротепловые реле

 

Тепловые реле основаны на принципе изменения физических свойств тел при их нагревании электрическим током или другими источниками тепла. Они срабатывают при определенной температуре нагрева основного чувствительного элемента.

В качестве основного чувствительного к температуре элемента применяют материалы с изменяющимся электрическим сопротивлением, материалы с различными коэффициентами линейного расширения, «термобиметаллы» и др.

Нагрев элемента осуществляется электрическим током, протекающем непосредственно в элементе, в специальном нагревательном элементе или окружающей средой.

Тепловые реле являются основными представителями термических реле, к которым относятся реле, работающие в функции температуры окружающей среды – термореле, термостаты и др.

В качестве нагреваемых тел – рабочих органов тепловых реле – наибольшее применение получили биметаллические механизмы с непосредственным, косвенным или комбинированным нагревом. В конструкциях этих реле биметаллический механизм, нагреваясь под действием тепла, выделяемого в нем или в специальном нагревательном элементе, воздействует на контакты реле, замыкая или размыкая их.

Тепловые реле имеют исполнения: токовые реле для защиты при перегрузках и токах короткого замыкания, пусковые реле в функции тока, реле времени.

К тепловым реле относятся терморасцепители, входящие в конструкции автоматическихвоздушных выключателей, где они удерживают рычажную систему во включенном положении выключателя, а при соответствующей деформации биметалла освобождают ее от зацепления и выключатель отключается.

Тепловые реле с биметаллическими механизмами в большинстве случаев предназначаются для защиты электрических установок, главным образом электрических машин, от недопустимого перегрева при длительных перегрузках. Защитное действие реле обеспечивается тем, что ток защищаемого объекта, проходя по реле, нагревает биметаллический механизм; и, в тот момент, когда температура защищаемого объекта (обмотки машины и др.) достигнет предельно допустимой величины, биметаллический механизм должен нагреться до температуры срабатывания, то есть до температуры, при которой реле замыкает или размыкает свои контакты. Время срабатывания реле, начиная с момента появления нагрузки, зависит от начальной температуры, величины тока и от конструкции реле.

Основным рабочим элементом тепловых реле являются биметаллические или, точнее, термобиметаллические пластины или спирали.

Биметаллический элемент представляет собой жесткое соединение двух металлов с разными коэффициентами линейного расширения a₁ и a₂. Если a₂ > a₁, то при нагреве такой элемент изгибается в сторону металла с меньшим значением a.

Такая конструкция имеет значительно большую деформацию и, следовательно, большую чувствительность в сравнении с отдельной пластиной при изменении температуры.

Так, латунная пластина длиной 100 мм при нагреве до 100 ºС удлиняется на 0,18 мм. Прогиб такой же пластины, выполненной в виде биметалла со стальной пластиной равной толщины (рис. 2.62), составляет при том же нагреве 17 мм, т.е. почти в 100 раз больше, причем этот выигрыш в чувствительности достигается без дополнительных передаточных звеньев, усложняющих конструкцию. Благодаря исключительной простоте конструкции, высокой устанавливающей силе и чувствительности, биметалл (термобиметалл) находит весьма широкое применение в электроаппаратостроении.

Рис. 2.62 - Принцип работы биметаллических тепловых реле

 

Появление биметалла относится к началу XIX века, когда впервые был изготовлен би-металлический термометр в виде спирали со стрелочным указателем, приспособленным также и для записи температуры.

Для увеличения работоспособности биметалла, его компоненты должны иметь высокое значение модуля упругости Е на растяжение и сжатие. Работоспособность биметалла определяется зависимостью:

, (2.9)

где: Q – сила, развиваемая биметаллом при его тепловой деформации, dl – элементарная деформация биметалла.

Напряжение сжатия и растяжения в биметалле определяется выражением:

, (2.10)

величина e определяется следующим соотношением:

, (2.11)

где: s – напряжение растяжения или сжатия в биметаллах, e – относительная деформация биметалла, D l – удлинение биметалла, т.е:

. (2.12)

Из представленных выражений и интегрирования работоспособность биметалла равна

. (2.13)

Из этой зависимости следует, что значение А тем больше, чем выше модуль упругости компонентов биметалла при прочих равных условиях.

Термобиметалл состоит из двух компонентов: пассивного с относительно малым значением a₁ и активным с большим значением a₂. Для получения максимальной деформации необходимо, очевидно, иметь наибольшее значение разности a₁ – a₂.

До начала CIC века термобиметалл изготавливался путем спайки или склепки различных металлов, чаще всего стали с цинком или стали с медью. Такой биметалл мог работать в малом диапазоне температур и имел низкую работоспособность.

Широкое распространение термобиметалла связано появлением никелевых сталей,имеющих высокие механические качества, и усовершенствованием технологии изготовлениебиметалла. Коэффициент линейного расширения стали зависит от содержания в ней никеля. В качестве пассивного слоя обычно применяется сталь с содержанием никеля от 36 до 46%. Наибольшее распространение имеет сплав с содержанием:

36,1%Ni + 63,1%Fe + 0,4%Mn + 0,4%Cu,

имеющий a = 1×10^–6 1/°С. При уменьшении содержания никеля до 25% коэффициент линейного расширения возрастает до a = 18×10^–6.

В качестве активного слоя могут применяться как черные, так и цветные металлы, и их сплавы. Чистое железо применяется редко из-за малого значения коэффициента линейного расширения и низкого модуля упругости. Наиболее часто применяются никель-молибденовые стали:

· 27%Ni Fe +5%Mo – с рабочей температурой 400-500°С;

· 42%Ni Fe +5%Mo – с рабочей температурой 150-350°С, для этих сталей L =(18-19)×10 1/°С; и модуль упругости Е =(20-24)×10 кг/мм.

В качестве цветных металлов для изготовления активного слоя применяются никель и сплавы на медной основе: латунь, бронзы, томпак, монель-металл. В нашей стране в основном применяются следующие марки термобиметалла:

· Инвар – маломагнитная сталь (ИС) применяется при рабочей температуре до 170 °C. Компоненты имеют высокие механические свойства. Этот термобиметалл имеет высокое удельное сопротивление r =0,8 Ом×мм/м, что позволяет осуществлять прямой подогрев.

· Инвар-томпак (ИТ) – максимальная допустимая температура до 100 °С. Имеет низкое r, что требует косвенного подогрева.

· Существуют марки термобиметаллов по номерам: № 1, 2, 3, 4, 5, 6; применяемые в диапазоне температур от –60 до +375 °С.

Термобиметалл изготавливается следующим образом. Компоненты биметалла выплавляются в высокочастотной электрической печи, и полученные слитки разрезаются на бруски размером 15х115х330 мм. С целью улучшения качества сварки производится электролитическоежелезнение брусков (толщина слоя 0,015 мм) и затем их сварка по периметру. Полученные таким образом биметаллические бруски нагреваются до температуры 1150-1200 °C и прокатываются до толщины 3,5 мм. Полученный таким образом биметалл служит основной заготовкой и в дальнейшем прокатывается до требуемой толщины.

Основная способность биметалла – изменять свою форму под воздействием температуры – используется для производства многочисленных электрических аппаратов: реле тепловой защиты, реле – указателей, автоматических ограничителей, терморегуляторов, автоматов и др.

Все многообразные биметаллические механизмы классифицируются по способу теплового воздействия, по выполняемым функциям и по конструктивной форме исполнения.

По способу теплового воздействия различают механизмы с непосредственным нагревомбиметалла (рис. 2.63, а), косвенным (рис. 2.63, б) и комбинированным (рис. 2.63, в) нагревами. Часто ток на нагрев подается через промежуточный трансформатор.

Рис. 2.63 - Способы нагрева биметалла: а – непосредственный; б – косвенный; в – комбинированный

По конструктивным исполнениям и функциям исполнения устройства с термобиметаллом весьма многообразны.

Механизм теплового реле времени, рис. 2.64, а. Биметаллический механизм используется для получения определенной выдержки времени. Принцип действия заключается в следующем. Биметаллическая пластина, неподвижно закрепленная одним концом, несет на другом конце небольшой стальной якорек с подвижным контактом. В холодном состоянии якорек притягивается и удерживается небольшим постоянным магнитом. При нагревании током биметаллическая пластина развивает усилие, которое стремится оторвать якорек от полюсов магнита. При температуре срабатывания, наступающей через некоторое время после включения тока, усилие пластины преодолевает притяжение магнита и пластина скачком переходит в нижнее положение, замыкая контакты. Выдержка времени может в некоторых пределах регулироваться током биметаллического элемента или нагревателя. Возвратреле в исходное положение происходит автоматически, через промежуток времени, необходимый для охлаждения машины.

Рис. 2.64 -Механизм с биметаллическойзащелкой (а); механизм теплового реле времени (б): 1 – магнит; 2 – якорь; 3 – пружина; 4 – упор

Механизм с биметаллической защелкой, рис. 2.64, б. Находит применение в автоматах, пускателях и др. Принцип действия основан на освобождении нагретым биметаллическим элементом оттягиваемого пружиной контакта. В этом случае биметалл совершает только минимальную работу, необходимую для освобождения контакта, всю остальную работу выполняет вспомогательный привод. Возврат механизма в исходное положение чаще всего совершается вручную.

Рис. 2.65 - Измерительный орган регулятора температуры: 1 – биметаллическая пластина; 2 – контактный рычаг; 3 – изоляционный штифт; 4 – контакты

Измерительный орган регулятора температуры, рис. 2.65. Биметаллическая пластина 1 касается концом изоляционного штифта 3, укрепленного на плоской пружине 2, несущей подвижный контакт. При повышении температуры окружающей среды биметаллическая пластина изгибается вверх и размыкает контакты 4 регулятора. Этот механизм регулятора имеет медленное размыкание контактов, незначительную скорость движения их и непостоянство контактного давления при включенном положении регулятора, что приводит к искрению в контактах, привариванию и быстрому выходу их из строя.

Биметаллический термометр. Биметаллический термометр представляет собой одно из первых применений биметалла. Этот термометр в сравнении с ртутным имеет следующие преимущества:

· наличие круговой шкалы со стрелкой, что позволяет делать дистанционные измерения;

· отсутствие хрупких частей, что позволяет использовать его в тяжелых производственных условиях.

Рис. 2.66 - Биметаллический термометр

Биметаллический термометр представляет собой биметаллическую ленту, свернутую в виде плоской или винтовой спирали (рис. 2.66). Недостатком плоской спирали является смещение ее центра при закручивании, что усложняет форму шкалы. Недостаток биметаллического термометра – большой габарит прибора.

Механизм с «прыгающим контактом». Этот механизм используется для ускорения размыкания и замыкания контактов. Принцип действия заключается в использовании усилия дополнительной плоской пружины, шарнирно закрепленной одним концом в неподвижной опоре, а другим на биметаллической пластине. Благодаря этому не нагретая биметаллическая пластина всегда прижимается к неподвижному контакту с некоторым постоянным усилием, рис. 2.67, а. По мере нагревания пластина развивает усилие, направленное к противоположному упору, а при температуре срабатывания преодолевает усилие пружины и скачком переходит в крайне правое положение и размыкает контакты.

Рис. 2.67 - Механизм с «прыгающим контактом» (а); механизм с прыгающей биметаллической пластиной (б): 1 – призматическая опора; 2 – пружина; 3 – упор; 4 – подвижный рычаг

Механизм с прыгающей биметаллической пластиной, рис. 2.67, б. Используется для создания постоянного контактного давления. Биметаллическая пластина упирается и призматические опоры 1 и 4, одна из которых (1) неподвижна, а другая (4) может поворачиваться в шарнире О и удерживается пружиной 2, которая прижимает подвижную опору 4 к упору 3. В холодном состоянии биметаллическая пластина слегка выгнута вверх и используется для создания постоянного контактного давления. При нагревании биметаллическая пластина изгибается вниз. При температуре срабатывания она скачком переходит в нижнее, также выгнутое положение, встречает штифт размыкающего контакта и размыкает контакты. После остывания пластина, также скачком, возвращается в исходное положение и контакты замыкаются. В этой конструкции контактное давление остается неизменным до момента размыкания контактов.

Механизм Алексеевского В.В., рис. 2.68. Механизм представляет собой оригинальную конструкцию с «прыгающей» контактной группой. Биметаллический элемент в этом механизме выполнен в виде плоской пластины 1, конец которой закреплен неподвижно, а другой может перемещаться между упорами 4 и 5. В холодном состоянии пластина удерживается у верхнего упора плоской изогнутой пружинной рессоркой 2, которая одновременноприжимает к нижнему контактному колодку 3, несущую контакты. На концах рессоркиимеются специальные просечки, которыми она надевается на соответствующие выступыпластины и колодки. Благодаря этому рессорка может свободно поворачиваться вокруг опорных ребер биметаллической пластины и колодки.

Рис. 2.68 - Механизм Алексеевского В.В.: 1 – биметаллический элемент; 2 – рессорка; 3 – колодка; 4, 5, 6 – упоры; 7 – нижний контакт; 8 – опора

Нагревание биметаллической пластины может быть косвенным, непосредственным или комбинированным. Усилие, развиваемое при этом пластиной, направлено противоположно удерживающему усилию рессорки.

При некоторой температуре пластины ее усилие F_B становится больше удерживающего усилия F_H, создаваемого рессоркой, и пластина отходит от верхнего упора. При этом и усилие рессорки и усилие биметаллической пластины F_B будут уменьшаться, но выключающее усилие механизма F_B – F_H может быть получено возрастающим, вследствие чего биметаллическая пластина, отойдя от верхнего упора и дойдет до нижнего упора.

В зависимости от конкретного назначения механизма можно выбрать усилие рессорки и положение упоров такими, что его возвращение будет автоматическим или ручным.

Этот механизм успешно используется в ряде электрических аппаратов: автоматических предохранителях, тепловых реле и многих других.

Недостатком всех электротепловых реле является изменение уставки срабатывания в зависимости от окружающей температуры. Для того чтобы уменьшить влияние окружающей температуры на ток срабатывании, следует рабочую температуру биметалла выбирать как можно более высокой. Для этих же целей применяют вторую компенсационную биметаллическую пластину, достигая с ее помощью либо компенсации прогиба (рис. 2.69, а), либо компенсации усилия, рис. 2.69, б.

Рис. 2.69 - Температурная компенсация электротепловых реле: а – компенсация прогиба; б – компенсация усилия

Одной из основных характеристик тепловых реле является токо-временная характеристика (рис. 2.70), представляющая зависимость времени срабатывания реле от тока, протекающего через него. Обычно для удобства сравнения этих характеристик между собой, ток реле выражают в относительных единицах – в виде отношения тока реле I к допускаемому току I_H, т.е.

. (2.14)

Рис. 2.70 - Времятоковая характеристика срабатывания электротеплового реле из холодного (1) и нагретого (2) состояния

Под допустимым током I_H, понимается такой ток, длительное протекание которого через реле не приводит к срабатыванию его при заданной неизменной температуре окружающей среды и выбранной уставке.