Тепловые реле

Общие сведения. Биметаллические тепловые реле получили очень широкое применение в качестве реле защиты электродвигателей (главным образом переменного тока) от недопустимого перегрева при длительных перегрузках. Надежность и эффективность этой защиты достигаются при совпадении временных характеристик по нагреву у реле и у двигателя.

Основным элементом теплового реле является биметаллическая пластина, которая состоит из двух, прочно сваренных между собой по всей поверхности металлов, имеющих различные температурные коэффициенты линейного расширения. Слой металла, имеющий меньший коэффициент линейного расширения — пассивный, а слой с большим коэффициентом — активный. При нагревании биметалла активный слой удлиняется на большую величину, чем пассивный, т. е. пластина изгибается в сторону пассивного слоя.

Величина прогиба и усилие, развиваемое биметаллической пластиной, прямо пропорциональны разности коэффициентов линейного расширения. Поэтому для активного слоя применяются материалы с возможно большим коэффициентом линейного расширения, а для пассивного — с меньшим.

Для пассивного слоя биметаллического элемента наибольшее применение нашли железоникелевые сплавы с большим содержа­нием никеля, называемые инваром. Коэффициент линейного расширения этих сплавов (1-7) 10^-6K^-1. Для активного слоя биметаллического элемента используются различные стали, латунь, константан и другие материалы. Коэффициент линейного расши­рения этих материалов ориентировочно (16-23) 10^-6K^-1.

Биметаллические пластины могут нагреваться током, проходящим непосредственно по. пластинам (непосредственный нагрев), а также от отдельных нагревательных элементов (косвенный нагрев) или применяется сочетание непосредственного и косвенного нагрева (комбинированный нагрев).

При непосредственном нагреве широкое регулирование тока срабатывания осуществляется подбором соответствующих сопротивлений (шунтов), включаемых параллельно биметаллической пластине.

При косвенном нагреве ток срабатывания реле можно регулировать в широких пределах заменой нагревательных элементов. Регулирование тока срабатывания в небольших пределах достигается изменением величины прогиба биметаллической пластины и усилия, развиваемого биметаллической пластиной.

Основные требования, предъявляемые к конструкциям тепловых реле — малая зависимость уставки тока срабатывания от температуры окружающей среды и скачкообразное переключение контактов. Первое требование обычно удовлетворяется путем повышения рабочей температуры биметаллического устройства, при котором оно срабатывает. Второе требование обычно удовлетворяется с помощью пружин — цилиндрических, винтовых или пластинчатых.

Биметаллическая пластина должна при токе перегрузки двигателя достигнуть температуры срабатывания за такое время, в течение которого двигатель может выдерживать данную перегрузку. Поэтому одной из основных характеристик теплового реле является времятоковая характеристика, показывающая, как изменяется время срабатывания реле при изменении тока. В общем случае времятоковая характеристика имеет гиперболический характер. Чем больше ток в цепи, тем быстрее нагревается биметаллическая пластина до температуры срабатывания и быстрее срабатывает реле.

Принцип действия. Долговечность энергетического оборудования в зна­чительной степени зависит от перегрузок, которым оно подвергается во время работы. Для любого объекта можно найти зависимость допустимой длитель­ности протекания тока от его значения, при котором обеспечивается надеж­ная и длительная его эксплуатация. При номинальном токе допустимая длительность его протекания стремится к бесконечности. Протекание тока, превышающего номинальный, приводит к дополнительному повышению температуры и дополнительному старению изоляции. Поэтому чем больше ток перегрузки, тем меньше должна быть ее длительность. Чем меньше срок службы, тем большие перегрузки допустимы:

Для защиты энергетического оборудования от токовых перегрузок широко распространены тепловые реле с биметаллическим элементом.

Биметаллический элемент состоит из двух пластин с различным коэффициентом линейного расширения а. В месте прилегания друг к другу пластины жестко скреплены за счет проката в горячем состоянии, либо сваркой. Если такой элемент закрепить неподвижно и нагреть, то произойдет его изгиб в сторону материала с меньшим а Максимальный прогиб элемента:

,

температурный коэффициент расширения термоактивного материала (с большим значением);

температурный коэффициент расширения термореактивного материала (с меньшим значением );

суммарная толщина биметаллического элемента;

длина биметаллического элемента;

- превышение температуры биметаллического элемента относительно окружающей среды.

Незакрепленный конец элемента развивает усилие:

,

где: b — ширина элемента; средний модуль упругости материала элемента.

Из этих формул видно, что значение прогиба и усилия тем больше, чем больше разность . Широкое распространение в тепловых реле получили такие материалы, как инвар (малое значение )и немагнитная или хромоникелевая сталь (большое значение ). Для получения большего прогиба необходим элемент большой длины и малой толщины. В то же время при необходимости получения большого усилия целесообразно иметь широкий элемент с малой длиной и большой толщиной.

При работе в компонентах биметаллической пластины возникают на­пряжения сжатия и растяжения, которые не должны превышать допустимых значений. Нагрев биметаллического элемента может производиться за счет тепла, выделяемого током нагрузки в самой пластине или в специальном нагревате-ле. Лучшие характеристики получаются при комбинированном нагреве, когда пластина нагревается и за счет проходящего через нее тока, и за счет тепла, выделяемого специальным нагревателем, обтекаемым тем же током нагрузки.

Основной характеристикой теплового реле является зависимость времени срабатывания от тока нагрузки (времятоковая характеристика).

Из-за инерционности теплового процесса тепловые реле, имеющие такой биметаллический элемент, непригодны для защиты цепей от КЗ. Нагреватель-ные элементы в данном случае могут перегореть до срабатывания реле. Поэтому защита с помощью таких реле должна быть дополнена электро­магнитными реле, предохранителями или автоматическими выключателями.

Конструкция тепловых реле. Любые тепловые воздействия инерционны по своей природе, и прогиб биметаллической пластины происходит медленно. Если с пластиной непосредственно связать подвижный контакт, то малая скорость его движения не обеспечивает гашение дуги при отключении цепи. Поэтому воздействие пластины на контакт передается, как правило, через ускоряющие устройства, наиболее совершенным из которых является «прыгающий» контакт (рис. 2.6).

Рис. 2. 6. «Прыгающий» контакт Рис. 2.7 Тепловое реле ТРП

В холодном состоянии биметаллическая пластина 3 занимает крайнее левое положение. Пружина 1 создает силу Р, которая замыкает контакты 2. При нагреве пластины 3 она изгибается вправо (по стрелке). В момент, когда пластина 3 направлена на центр 0, пружина 1 развивает максимальную силу. При дальнейшем нагреве пружина 1 быстро переходит в крайнее правое положение и контакты 2 размыкаются с большой скоростью, обеспечивая надежное гашение дуги.

Современные контакторы и магнитные пускатели комплектуются с однофазными (ТРП) или двухфазными (ТРИ) тепловыми реле. Реле типа ТРП (рис.2.7) имеет комбинированную систему нагрева. Биметаллическая плаРстина 1 нагревается как за счет прохождения через нее тока, так и за счет нагревателя 5. При прогибе конец биметаллической пластины воздействует на прыгающий контактный мостик 3. Реле допускает плавную ручную регулировку тока срабатывания в пределах ± 25 % номинального тока уставки. Эта регулировка осуществляется ручкой 2, меняющей первоначальную деформацию биметаллической пластины. Возврат реле в исходное положение после срабатывания производится кнопкой 4. Возможно исполнение и с самовозвратом после остывания биметалла. Высокая температура срабатывания (выше 200°С) уменьшает зависимость работы реле от температуры окружающей среды. Уставка меняется на 5 % при изменении температуры окружающей среды на 10°С. Реле обладает высокой ударо- и вибростойкостью.