Тепловое реле. Устройство, характеристики. Реле времени.

 

1.ТЕПЛОВЫЕ РЕЛЕ.

 

Тепловые реле основаны на принципе изменения физических свойств тел при их нагревании электрическим током или другими источниками тепла. Они срабатывают при определённой 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, устройстве или окружающей среды.

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 автоматических воздушных выключателей, где они удерживают рычажную систему в рабочем положении во включенном положении выключателя, а при соответствующей деформации биметалла освобождают ее от зацепления и выключатель отключается.

1 2

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; 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 жёсткое соединение двух металлов с разными коэффициентами линейного расширения и . Если, то при нагреве такой элемент изгибается в сторону металла с меньшим значением .

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

Так, латунная пластина длиной 100 мм при нагреве до 100º С удлиняется на 0,18 мм. Прогиб такой же пластины, выполненной в виде биметалла со стальной пластиной равной толщины, составляет при том же нагреве 17 мм, т.е. почти в 100 раз больше, причём 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.

Появление биметалла относится к началу XIX века, когда впервые был изготовлен биметаллический 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:

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

Напряжение сжатия и растяжения в биметалле определяется выражением:

и величина определяется следующим соотношением:

где s- напряжение растяжения или сжатия в биметаллах,

относительная деформация биметалла,

– удлинение биметалла,

т.е

.

Из представленных выражений и интегрирования работоспособность биметалла равна

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 и активным с большим значением .Для получения максимальной деформации необходимо, очевидно, иметь наибольшее значение разности .

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 изготовление биметалла. 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; 1/°c. При уменьшении содержания никеля до 25% коэффициент линейного расширения возрастает до .

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 и

42%Ni Fe +5%Mo

с рабочей температурой 150-350°С, для этих сталей L=(18-19)×10, 1/°c; 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:

1)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 , что позволяет осуществлять прямой подогрев.

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

3)Существуют марки термобиметаллов по номерам: N 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 электролитическое железнение брусков (толщина слоя 0,015 мм) и затем их сварка по периметру. Полученные таким образом биметаллические бруски нагреваются до температуры 1150-1200C и прокатываются до толщины 3,5 мм. Полученные 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 нагревом биметалла (рис. 14.1,а), косвенным (рис.14.1,б) и комбинированным (рис.14.1,в) нагревами. Часто ток на нагрев подается через промежуточный трансформатор.

По конструктивным исполнениям и функциям выполнения устройства с термобиметаллом весьма многообразны:

1. Механизм с биметаллической защелкой (рис.14.2).

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 совершается вручную.

2. Механизм теплового реле времени. (рис.14.3)

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(рис.14.3). 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. Возврат реле в исходное положение происходит автоматически, через промежуток времени, необходимый для охлаждения машины.

3.Измерительный орган регулятора температуры (рис. 14.4).

Биметаллическая пластина касается концом изоляционного штифта, укрепленного на плоской пружине, несущей подвижный контакт. При повышении температуры окружающей среды биметаллическая пластина изгибается вверх и размыкает контакты 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.

4. Биметаллический термометр (рис.14.5).

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

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

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

Биметаллический термометр представляет собой биметаллическую ленту, свернутую в виде плоской или винтовой спирали (рис.14.5, а и б). Недостатком плоской спирали является смещение её центра при закручивании, что усложняет форму шкалы. Недостаток винтовой спирали – большой габарит прибора.

5. Механизм с «прыгающим контактом» (рис. 14.6).

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. 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.

6. Механизм с прыгающей биметаллической

пластиной (рис.14.7).

Используется для создания постоянного контактного давления. Биметаллическая пластина упирается и призматические опоры В и С, одна из которых (В) неподвижна, а другая (С) может поворачиваться в шарнире О. В холодном состоянии биметаллическая пластина слегка выгнута вверх и используется для создания постоянного контактного давления. Биметаллическая пластина упирается в призматические опоры В и С, одна из которых (В) неподвижна, а другая (С) может удерживается пружиной П, которая прижимает подвижную опору С к упору А. 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.

 

7. Механизм Алексеевского В. В. (рис.14.8)

Механизм представляет собой оригинальную конструкцию с ,,прыгающей” контактной группой.

Биметаллический элемент выполнен в виде плоской пластины 1, конец которой закреплен неподвижно, а другой может перемещаться между упорами 4 и 5 (рис.14.8). В холодном состоянии пластина удерживается у верхнего упора плоской изогнутой пружинной рессоркой 2, которая одновременно прижимает к нижнему контактному колодку 3, несущую контакты. На концах рессорки имеются специальные просечки, которыми она надевается на соответствующие выступы пластины и колодки. Благодаря этому рессорка может свободно поворачиваться вокруг опорных ребер биметаллической пластины и колодки.

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

При некоторой температуре пластины её усилиестановится больше удерживающего усилия, создаваемой рессоркой, и пластина отходит от верхнего упора. При этом и усилие рессорки и усилие биметаллической пластиныбудут уменьшаться, но выключающее усилие механизмаможет быть получено возрастающим, вследствие чего биметаллическая пластина, отойдя от верхнего упора, обязательно 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.

Одной из основных характеристик тепловых реле является токовременная характеристика, 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 к допускаемому току, т. е.

9 10

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

 

 

Рис.14.1.Способы нагрева биметалла.

 

Рис.14.2.Механизм с биметаллической защелкой

.

Рис.14.3.Механизм теплового реле времени.

 

 

 

Рис.14.4.Измерительный орган регулятора температуры.

 

 

 

Рис.14.5.Биметаллический термометр.

 

Рис.14.6.Механизм с «прыгающим»

контактом

Рис.14.7.Механизм с «прыгающей»

биметаллической пластиной

 

 

 

 

 

Рис.14.8.Механизм В.В. Алексеевского

 

 

Рис.14.9. Типовые токовременные характеристики тепловых реле ТРА и ТРВ, снятые от «холодного» состоя­ния реле.

 

На рис. 14.9 представлены типовые токовременные характеристики тепловых реле, предназначенных для защиты электрических машин от перегрузок.

Тепловые реле, защищающие электрические машины от перегрузок, должны иметь определенные токовременные характеристики, отвечающие следующим основным требованиям:

а) промежуток времени отключения при перегрузках должен быть таким, в течение которого перегрев защищаемой машины не превышает допустимой величины;

б) время срабатывания реле не должно быть слишком мало с тем, чтобы полнее использовать перегрузочную способность защищаемой машины;

в) возможность прямого пуска от сети асинхронных двигателей.

 

 

 

Рис.14.10.Схематичное устройство реле ТТ-10

Для надежной защиты электрической машины от перегрузок необходимо, чтобы токовременная характеристика реле как можно ближе располагалась к тепловой (перегрузочной) характеристике машины, проходя ниже и не пересекаясь с ней.

Существенным недостатком тепловых реле является зависимость их характеристик от температуры окружающей среды. Такая зависимость может привести к тому, что, например, при температуре 80 – 90° С реле может сработать даже при отсутствии тока. Поэтому для получения благоприятной защитной характеристики необходимо, чтобы температура окружающей среды для защищаемого объекта (электрической машины) и для реле совпадала, или чтобы биметаллический механизм реле работал при более высоких температурах – порядка110 - 120° С.

Среди конструкций тепловых реле с биметаллом наибольшее распространение получили реле с биметаллическими пластинами. Так на рис.14.10 представлено схематическое устройство теплового реле с биметаллической пластинкой. При нагреве от обтекаемого током элемента 2, биметаллическая пластинка 1 изгибается. При определенной температуре (температуре срабатывания) пластинка изгибается настолько, что освобождает защелку 3 подвижного контакта, который под действием пружины 4 поворачивается и размыкает контакты 5 реле. Реле же не имеет самовозврата, возврат контактов ручной, осуществляется кнопкой 6 и может быть произведен только после достаточного остывания биметаллической пластинки (через 15 – 90 с.). Нагревательный элемент является сменным, и подбором соответствующего элемента осуществляется настройка реле. Так для реле ТТ – 10, 11, 12 имеется 54 стандартных нагревательных элемента на токи от 0,6 до 150 А.

В большинстве случаев такие тепловые реле не обеспечивают защиты от токов короткого замыкания, и их нагревательные элементы могут перегореть от токов короткого замыкания до того, как реле сработает. Имеются конструкции тепловых реле со встроенными электромагнитными элементами, срабатывающими без выдержки времени от токов короткого замыкания.

Некоторые конструкции реле, встраиваемые в магнитные пускатели, снабжаются регулировочными устройствами, предназначенными для компенсации производственных отклонений. Такими являются реле типа РТ.

Современные электротепловые токовые реле РТЛ-1000 и РТЛ-2000 предназначены для защиты трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором от перегрузок недопустимой продолжительности и от токов, возникающих при выпадении одной из фаз. Применяются в схемах управления электроприводами переменного тока с f=50;60Гц, напряжением до 660В, постоянного тока до 440В. Реле пригодны в системах управления с применением микропроцессорной техники.

Различные типы РТЛ-1000 с номинальным током 25А позволяют иметь регулируемый ток несрабатывания от (0,1….0,17) Iн в реле типа РТЛ-1001 до (18…25) Iн в реле РТ2053до (663…86) в реле РТЛ-2063/4/.