Тепловые реле с термобиметаллическими пластинами
Для защиты электрических цепей от длительного протекания токов перегрузки, в 5-7 раз превышающих номинальные токи, широко применяются аппараты тепловой защиты с термобиметаллическими исполнительными механизмами. Термобиметаллический элемент содержит биметаллическую пластину, состоящую из двух материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения а, жестко скрепленных друг с другом.
Биметаллическая пластина с нагревательным элементом (а) и способы ее подогрева (б)
В некоторых тепловых реле (например, в реле ТРИ-10, ТРН-25 и др.) нагревательные элементы выполняются сменными, что значительно расширяет диапазон рабочих токов.
На рис. 2 представлены упрощенные схемы биметаллических устройств тепловых реле.
При нагреве пластины У (рис. 2,а) она изгибается в направлении усилия Pi и воздействуя на штифт 3 перемещает подвижной пружинный контакт 2 до размыкания с неподвижным контактом 4. Изменяя положение контактов 2 и 4 меняется уставка реле по току срабатывания. После охлаждения биметаллической пластины реле возвращается в исходное положение. Способ подогрева пластины реле может быть непосредственный, либо косвенный. Данное устройство имеет малое быстродействие, что устраняется в конструкции, представленной на рис. 2,6. Биметаллическая пластина 1 служит защелкой, удерживающей контакты в замкнутом состоянии. При нагреве и изгибе пластины она освобождает контакты, которые размыкаются под действием пружины 5. Возврат пластины в исходное состояние осуществляется вручную.
Рис. 2. Схемы биметаллических устройств тепловых реле
Еще большее быстродействие достигается в конструкции рис. 2,а Пластинчатая пружина 6 удерживает контакты реле в замкнутом состоянии до тех пор, пока усилие Р1, развиваемое пластиной, не станет больше усилия Р2, развиваемое пружиной. При нагреве пластины она скачком выгнется с сторону Р1 и разомкнет контакты реле. Возврат системы — автоматический, после остывания пластины.
Разновидностью подобной конструкции является устройство, представленное на рис. 2,г. Здесь одновременно происходят скачкообразные перемещения пластины и контактов. Система имеет самовозврат.
Для исключения влияния температуры окружающей среды на характеристики тепловых реле в них предусмотрена термокомпенсация в виде дополнительной биметаллической пластины. В конструкции реле рис. 2,3 осуществляется компенсация прогиба пластины, а на рис. 2,е дан вариант исполнения пластины с компенсацией усилия.
Рис. 3. Времятоковые характеристики реле ТРН-10А:
1 — зона времятоковых характеристик при срабатывании реле из холодного состояния;
2 — зона времятоковых характеристик при срабатывании реле из горячего состояния (после прогрева номинальным током)
Тепловые реле с термобиметаллическими пластинами нашли широкое применение для защиты статорной обмотки двигателя от длительного протекания токов перегрузки, как в режиме пуска двигателя, так и в режиме технологических перегрузок. Они относятся к аппаратам защиты косвенного действия, так как реагируют не на превышение температуры нагрева защищаемого объекта, а на ток вызывающий это превышение. Отсюда недостатками тепловых реле являются: малая термическая стойкость к протекающим по реле сверхтокам; нерегулируемость защитной характеристики; большое время срабатывания и потери энергии; большой разброс в срабатывании реле; необходимость в остывании. Достоинствами тепловых реле являются: относительно малые размеры, масса и стоимость; простота конструкции и надежность в эксплуатации.
Основной защитной характеристикой реле является времятоковая характеристика — зависимость времени срабатывания реле от кратности тока в цепи по отношению к номинальному току (рис. 3 для теплового реле ТРН-10А). Характеристики приводятся для реле работающего из холодного состояния (область 1), например при пуске двигателя и реле работающего из горячего состояния (область 2), например после прогрева реле номинальным током.
Современные магнитные пускатели комплектуются тепловыми реле нового поколения. Реле серии PTЛ имеет трехполюсное исполнение, механизм для ускорения срабатывания при обрыве фазы статорной обмотки двигателя, регулятор, тока несрабатывания и несменные нагревательные элементы. Реле снабжено термокомпенсацией и имеет высокое быстродействие, рассчитано на номинальные токи до 200 А и предназначено для комплектации пускателей серии ПМЛ. Реле серии РТТ (для магнитных пускателей серии ПМА) имеет аналогичные характеристики и рассчитано на номинальные токи до 630 А.
Что такое биметаллическая пластина в автомате?
Защитная автоматика сегодня присутствует в каждом вводно-распределительном устройстве, которым для домовой или квартирной электросети является электрический щиток. Охрана человека от электротравм доверена устройствам защитных отключений, а функции защиты самой электрической проводки от опасных токовых перегрузок отведены автоматическому выключателю или говоря простым языком автомату.
Работа автомата основана на функциональных особенностях двух чувствительных элементов – расцепителей:
- в зоне ответственности электромагнитного расцепителя находится защита от сверхтоков коротких замыканий, срабатывает он мгновенно в случае многократного превышения номинального токового значения;
- тепловой расцепитель обеспечивает отключение нагрузки, когда превышения потребления незначительны, интервал срабатывания определен времятоковой характеристикой и имеет обратно пропорциональную зависимость от силы тока.
Соединенные последовательно они включены в конструкцию компактных модульных автоматических выключателей и гарантируют отключения нагрузки в случае любой опасной ситуации.
Устройство и принцип действия теплового расцепителя
Конструкция теплового расцепителя достаточно проста и в практическом исполнении он представляет собой биметаллическую пластину. Один ее конец жестко закреплен в конструктиве автомата, другой свободный конец пластины изгибается, вызывая срабатывания расцепителя автомата. Этот достаточно востребованный элемент можно встретить в составе различных устройств, например это основа биметаллического термометра или весьма распространенных тепловых реле.
Как уже понятно из названия представлена биметаллическая пластина двумя скрепленными между собой посредством пайки, сварки либо клепки пластинами из разных металлов с различными коэффициентами температурного расширения. Такая конструкция приводит к тому, что в связи с нагревом биметаллической пластины происходит ее деформация в сторону металла с меньшим значением коэффициента. Что в конечном итоге влечет за собой изгиб биметаллических пластин с последующим механическим воздействием их на исполнительные элементы, в частности управлению процессом расцепления контактов автомата.
В тепловом расцепителе автомата биметаллическая пластина греется электрическим током, протекающим по последовательной цепи обоих расцепителей. При нагреве пластина изгибается, заставляя сработать тепловой расцепитель, а, следовательно, разорвать цепи электропитания нагрузки. Чем выше токовая величина при превышении номинала вводного автоматического выключателя, тем быстрее происходит нагрев, а соответственно и скорость изгиба пластины.
Временной интервал необходимый на нагрев составной пластины из двух металлов определяет инерционность срабатываний тепловой защиты. Электромагнитный расцепитель срабатывает без каких либо временных задержек, чего нельзя сказать о его тепловом «коллеге». На «оценку ситуации» он тратит от секунд до десятков минут времени – итоговый интервал определен токовым значением, превышающим номинал автомата. В ситуации, когда тепловой расцепитель отключает нагрузку, повторное включение автоматического выключателя возможно через некоторый промежуток времени, необходимый для охлаждения и восстановления геометрии биметаллической пластины.
Таким образом, автоматический выключатель представляет собой простое и надежное устройство, обеспечивающее защиту от опасных токовых перегрузок сети. Конечно же, при приобретении столь важной защиты следует отдавать предпочтение исключительно брендовой продукции, известных и зарекомендовавших себя производителей. Попытка экономить на безопасности всегда несет в себе нежелательные, а порою и роковые последствия.
Остались вопросы?
Заполните форму обратно связи ниже, наши специалисты свяжутся с Вами, проконсультируют, расскажут про возможные способы решения Вашей задачи.
Биметаллическая пластина
Биметалли́ческая пласти́на — пластина, изготовленная из биметалла или из механически соединённых кусков двух различных металлов. Как правило, используется как основная часть термомеханического датчика.
Устройство
Если оба конца биметаллической пластины соединены заклёпками, при увеличении температуры пластина изгибается.
Представляет собой отрезок ленты из биметалла. Один конец ленты, как правило, неподвижно закреплён в устройстве, а другой — перемещается в зависимости от температуры пластины.
Встречаются устройства, состоящие из 2 пластин разнородных металлов, закреплённых одними концами и соединённых (клёпкой, пайкой или сваркой) у других концов. При изменении температуры соединённый конец пластин перемещается.
Работоспособны в очень широком диапазоне температур [1] .
Применение
Термостаты и защитные устройства
Изгибающаяся биметаллическая пластина управляет электрическими контактами, замыкающими или размыкающими цепь подогревателя. (В случае защитных устройств — отключающие электропитание нагрузки).
Могут сводить-разводить контакты постепенно (дешёвая ненадёжная конструкция — контакты искрят и обгорают), а могут срабатывать скачком (механическая бифуркация), сразу перемещая контакт на несколько миллиметров (щелчки от таких переключений слышны при работе утюгов).
Применяются как защитные устройства: для защиты от перегрева (например в электрочайнике) или от превышения силы тока (предохранители). могут быть как самовосстанавливающимися, так и требующими вмешательства персонала (предполагается, что персонал найдёт и устранит причину неполадки, и только потом вернёт предохранитель во включённое состояние).
Генераторы импульсов и реле времени
Биметаллическая пластина с контактом и с подогревателем (применяется обмотка из высокоомного провода либо сама пластина, по которой пропускают ток).
Применяется для переключения режимов работы устройств после их включения (например, в стартёрах люминесцентных ламп и электромоторов). В этом случае нагрев пластины продолжается всё время, пока устройство включено.
Измерительные приборы
Разновидность биметаллического термометра с подогревателем. В зависимости от способа включения может быть вольтметром или амперметром. При работе потребляет много энергии, однако совершенно не содержит трущихся механических частей. Просты, вибростойки, мало чувствительны к загрязнениям, как правило, самовосстанавливаются при отсыревании. До сих пор широко применяются в автомобильной электронике.
Часы
Применяются для термокомпенсации хода часов. Могут изменять диаметр разрезного обода баланса, сделанного из биметаллической пластины, либо изменять действующую длину пружины баланса.
Термометры
Схема биметаллического термометра
Длинная свёрнутая спиралью лента из биметалла закрепляется в центре. Другой (внешний) конец спирали перемещается вдоль шкалы, размеченной в градусах. Такой термометр, в отличие от жидкостного (например, ртутного) совершенно нечувствителен к изменениям внешнего давления и механически более прочен.
В термографах биметаллическая пластина через систему рычагов управляет пером самописца, рисующим график изменения температуры (применяется в метеорологии).
Тепловые двигатели
Преобразование разности температур в механическую работу. Существуют простые игрушки для демонстрации возможности работы таких двигателей [2] .
Устройства для микроперемещений
Предметы (типа «препарата», рассматриваемого в микроскоп) с помощью биметаллических пластин с подогревателями можно перемещать в небольших пределах. Величина перемещения регулируется дистанционно изменением тока через подогреватели.
Недостаток: величина перемещения непостоянна и зависит от условий охлаждения (окружающей температуры, сквозняков и т.п.)
В судостроении
Биметаллические (а также триметаллические) пластины используются для сварки разнородных металлов в целях предотвращения контактной (гальванической) коррозии. В судостроении применяются как для стыковки алюминиевой надстройки со стальным корпусом, так и для соединения декоративных элементов из нержавеющей стали с алюминиевой конструкцией.
Неметаллические аналоги
Для работы в агрессивных средах свойствами, подобными биметаллам, обладают спаи из стёкол или керамики с различным КТР,
Расчёт пластины
Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.
Изгиб (кривизна кривой, обратная величина к радиусу изгиба) биметаллической пластины [3] :
— модуль Юнга материала 1 (здесь и ниже для материала 2 индексы, соответственно, 2)
— толщина материала 1
— коэффициент теплового расширения материала 1
— разность между температурой, при которой вычисляется изгиб, и температурой, при которой изгиб отсутствует.
температурный коэффициент расширения термореактивного материала (с меньшим значением
);
.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.
