Разница между электротепловым реле и термореле
Классификация и УГО электротепловых реле на схемах
Типы, конструкции и принцип действия электротепловых реле
Электротепловые реле (тепловые реле) относятся к электрическим реле, и как любые электромеханические реле они состоят из трех основных систем: воспринимающей, промежуточной (передающей) и исполнительной.
По принципу устройства воспринимающей или промежуточной систем тепловые реле подразделяются на (см. рисунок 2):
тепловые реле, в которых используется свойство биметаллических пластин (биметаллические реле);
тепловые реле, в которых используется линейное расширение твердых тел (реле с удлиняющейся нитью или стержнем);
тепловые реле, в которых используется плавление твердых тел (реле с плавящимся металлом, плавкие реле).
Наиболее массовое распространение получили биметаллические тепловые реле, на данном типе мы остановимся чуть подробнее, а другие типы реле широкого распространения не получили, и сегодня промышленностью не выпускаются, поэтому мы рассмотрим их лишь в краткой форме.
Рисунок 2. Типы электротепловых реле
Электротепловые реле с удлиняющейся нитью или стержнем
Реле с удлиняющейся нитью или стержнем (рисунок 3) применялись в качестве реле времени. Реле данного типа также называют дилатометрическими.
Конструкция электротеплового реле с удлиняющейся нитью показана на рисунке 3 а.
На металлическом основании 3 укреплены изолированные от основания стойки 1, к которым подвешена металлическая нить 2. Нить натянута плоской контактной пружиной 5 (подвижный контакт), укрепленной на изолированной от основания стойке 4. В изолированную от основания стойку ввинчен винт 6 с контактом на конце (неподвижный контакт). Пока по нити не протекает ток, контакты разомкнуты.
Работа теплового реле осуществляется следующим образом. При прохождении через нить электрического тока она нагревается и удлиняется, в результате чего контактная пружина перемещается вниз, и когда нить нагреется до определенной температуры, контакты замыкаются. Время с момента подачи тока в нить до замыкания контактов составляет время срабатывания реле.
В качестве материала нити применяли сплав платины с иридием, сплав платины с серебром, чистую платину, манганин, нихром, меганир, латунь и никелевую сталь.
Рисунок 3. Конструкция электротепловые реле с удлиняющейся нитью или стержнем:
а – реле с нитью; б – реле со стержнем.
1 – стойки; 2 – нить; 3 – основание; 4 – стойка; 5 – контактная пружина (подвижный контакт); 6 – неподвижный контакт; 7 – пружинящая пластина; 8 – стержень с нагревателем; 9 – стойка с винтом; 10 – основание; 11 – контактная пружина (подвижный контакт); 12 – неподвижный контакт.
На рисунке 3 б показана конструкция дилатометрического электротеплового реле с удлиняющимся стержнем.
Реле состоит из металлического основания 10, на одном конце которого закреплена плоская пружинящая пластина 7, имеющая жесткую связь с контактной пружиной (подвижный контакт) 11. Одновременно пластина служит упором для латунного стержня 8, на котором расположен нагревательный элемент. Второй конец стержня упирается в винт стойки 9, также закрепленной на основании. Неподвижный контакт 12 прикручен к основанию через изолирующую пластину.
Работа теплового реле происходит так. В исходном состоянии контакты реле замкнуты, при протекании электрического тока по нагревателю стержень нагревается и растягивается, при этом пластина 7 отгибается, увлекая за собой подвижный контакт, и при определенном нагреве стержня происходит размыкание контактов. После прекращения подачи тока в нагреватель стержень остывает, и контакты возвращаются в исходное состояние.
Очевидным недостатком реле данного типа является не скачкообразное изменение состояния контактов, что способствует их быстрому износу.
Примером дилатометрического электротеплового реле с удлиняющимся стержнем может служить реле времени ВП4.542.001, у данного типа реле описанного выше недостатка нет.
Электротепловые реле с плавящимся металлом
Реле с плавящимся металлом, по-другому их еще называют реле с легкоплавким сплавом, применялись для защиты от перегрузки низковольтных электродвигателей небольшой мощности. Несколько разновидностей таких реле показаны на рисунке 4.
Принцип действия теплового реле с легкоплавким сплавом заключается в том, что при повышении температуры сверх требуемой, получающейся вследствие протекания тока в катушке или нагревателе, окружающей легкоплавкий сплав, например, сплав Вуда, у которого температура плавления равна 60 – 68,5 °C, или сплав Розе, который расплавляется при +94 °C, последний размягчается и опускает заведенный механизм или якорь.
Основными конструктивными элементами реле с храповым механизмом (рисунок 4 а) являются: храповое колесо 1, жестко укрепленное на оси 2, латунная пластинка с цилиндрическим выступом 3, нагревательный элемент 4, рейка 5 и пружина 6. Ось храпового колеса входит в отверстие цилиндрического выступа латунной пластинки и припаяна к внутренней поверхности этого отверстия легкоплавким составом. К латунной пластинке прикреплен нагревательный элемент, включенный последовательно в цепь контролируемой нагрузки.
При нормальном токе нагрузки температура латунной пластинки недостаточна для расплавления состава, и храповое колесо повернуться не может. С зубцами храпового колеса сцеплены зубцы рейки, оттягиваемой пружиной. На рейке имеется выступ, удерживающий контакты 7 в цепи питания нагрузки в замкнутом состоянии. Если ток в цепи нагрузки превышает допустимую величину, то температура латунной пластинки возрастает до величины, достаточной для расплавления состава, храповое колесо получает возможность повернуться, и рейка под воздействием пружины перемещается, освобождая контакты, которые размыкают цепь питания нагрузки. После устранения неисправности и охлаждения латунной пластинки тепловое реле можно привести в рабочее состояние, продвинув рейку вдоль шарнира 8 и введя ее в сцепление с храповым колесом. Чтобы разомкнуть контакты в случае необходимости проверки цепи, достаточно вывести рейку из сцепления с храповым колесом путем поворота ее на шарнире на некоторый угол.
Рисунок 4. Конструкция электротепловых реле с легкоплавким сплавом:
а – реле с храповым механизмом; б – реле с якорем.
1 – храповое колесо; 2 – ось; 3 – латунная пластинка с цилиндрическим выступом; 4 – нагревательный элемент; 5 – рейка; 6 – пружина; 7 – контакты реле; 8 – шарнир; 9 – катушка; 10 – кожух; 11 – легкоплавкий сплав; 12 – якорь; 13 – контакты реле.
Второй вид реле с легкоплавким сплавом — реле с якорем, показан на рисунке 4 б.
Реле имеет катушку 9, включенную последовательно в цепь питания электродвигателя. Размеры катушки и окружающего ее железного кожуха 10 подобраны так, чтобы нагрев всей системы соответствовал нагреву двигателя.
При определенной температуре перегрева легкоплавкий сплав 11 расплавляется, железный якорь 12 освобождается и под действием магнитного поля катушки поднимается кверху, контакты реле 13 замыкаются, воздействуя на отключающий элемент.
После отключения электродвигателя якорь реле под собственным весом возвращается в исходное положение. При новом включении электродвигателя на перегрузку якорь может снова подняться, если сплав не успеет к этому времени остыть.
Плавкие электротепловые реле
Плавкие реле (рисунок 5) так же, как и реле с плавящимся металлом, применялись для защиты от перегрузки низковольтных электродвигателей небольшой мощности.
Реле данного типа состоит из трех основных частей: нагревательного элемента 1, плавкого соединения 2 и пружинного контактного рычага 3.
Работа теплового реле осуществляется следующим образом. Ток электрического двигателя течет последовательно через нагревательный элемент, плавкое соединение и контактный рычаг. Плавкое соединение нагревается идущим через него током, а также теплом, излучаемым нагревательным элементом.
Рисунок 5. Конструкция плавкого электротеплового реле:
1 – нагревательный элемент; 2 – плавкое соединение; 3 – пружинный контактный рычаг.
При определенной температуре плавкое соединение расправляется и освобождает пружинный контактный рычаг, который отскакивает и разрывает цепь двигателя.
После выключения плавкое реле может быть снова налажено, для чего требуется вставить новое плавкое соединение для сцепления контактного рычага с цепью нагревательного элемента.
Биметаллические электротепловые реле
Как уже отмечалось выше, биметаллические (термобиметаллические) электротепловые реле получили наиболее широкое применение среди всех типов тепловых реле. Реле с биметаллом применяют для защиты электрического оборудования и электрических цепей, а также в качестве электротепловых реле времени.
Принцип работы биметаллических тепловых реле основан на изгибе биметалла при его нагреве.
Рисунок 6. Конструкция электротеплового биметаллического реле:
1 – биметаллическая пластина с нагревательным элементом; 2 – прыгающая пружина; 3 – контактная система.
Термобиметалл представляет собой двухслойный материал, состоящий из полос металла с разными коэффициентами теплового расширения, сваренных или спаянных между собой по всей плоскости соприкосновения.
Простейшая конструкция электротеплового биметаллического реле показана на рисунке 6. Реле состоит из биметаллической пластины с нагревательным элементом 1, прыгающей пружины 2 и контактной системы 3.
Работа теплового реле осуществляется следующим образом. При протекании тока по нагревательному элементу происходит нагрев пластины, при нагреве слои различных металлов пластины расширяются неодинаково, но так как они жестко связаны между собой, то биметаллическая пластина изгибается в сторону металла, имеющего меньший коэффициент линейного расширения, в данном случае вниз, при этом прыгающая пружина скачкообразно изменяет состояние контактов.
После снятия тока с нагревателя пластина постепенно остывает, и контакты за счет прыгающей пружины возвращаются в исходное положение.
Способы нагрева биметалла в электротепловых реле
В электрических тепловых реле применяется три способа нагрева биметалла: прямой, косвенный и смешанный (комбинированный) см. рисунок 7.
При прямом нагреве ток протекает непосредственно по самому биметаллу. Примером электротеплового реле с прямым нагревом биметалла могут служить реле серии АПЛ (типы реле АПЛ-7, АПЛ-8, АПЛ-9, АПЛ-10) или термобиметаллические реле серии ТРЗ (типы реле ТРЗ-2,5, ТРЗ-3,5, ТРЗ-5, ТРЗ-7,5) и другие.
Рисунок 7. Способы нагрева биметалла в электротепловых реле:
а – реле с прямым нагревом; б – реле с косвенным нагревом; в – реле с комбинированным нагревом (последовательное соединение); г – реле с комбинированным нагревом (параллельное соединение); д – реле с комбинированным нагревом (последовательно-параллельное соединение); е – реле с комбинированным нагревом (параллельное соединение).
КК – контакты реле; БМ, БМ 1, БМ 2 – биметалл; НГ – нагреватель (подогреватель).
При косвенном нагреве биметалл нагревается от отдельной нагревательной обмотки (нагревателя), по которой течет ток. При таком способе нагрева не все тепло нагревателя отдается биметаллу. Нагреватель в таких реле может размещаться несколькими способами:
1. Рядом с биметаллом. Хорошим примером таких реле могут служить термобиметаллические реле времени РТН-1, РТН-2, РТН-3, РТС-4 или двухфазные тепловые реле типа ТРН-10;
2. Непосредственно на самом биметалле, например, биметаллические реле времени типа РТС-1, РТС-2, ТРВ-1ВМ.
Первый способ размещения нагревателя, как правило, применяется в реле, у которых нагреватель рассчитан на работу с большими токами, иногда у таких реле нагреватель является сменным. Второй способ обычно применяется в слаботочных защитных реле и реле времени.
Комбинированный нагрев биметалла подразумевает одновременное протекание одного и того же тока как по самому биметаллу, так и по нагревателю. Так как нагреватель в таких реле является дополнительным источником тепла, его часто называют подогревателем.
У реле, рассчитанных на большие токи, может быть не один, а два биметаллических элемента (две пластины). Подогреватели в реле данного типа могут включаться последовательно, параллельно или последовательно-параллельно (реле с двумя пластинами) с биметаллом.
Хорошим примером электротепловых реле с комбинированным нагревом биметалла являются: однофазные электротепловые реле серии ТРТ (типы реле ТРТ-115, ТРТ-120, ТРТ-130, ТРТ-140), тепловое реле РТ-10, пускозащитное реле РТК-Х, кстати, модификация реле РТХ-Х на 220 В имеет даже два нагревателя.
Рисунок 8. Электротепловые реле со встроенными шунтом и трансформатором тока:
а – реле с трансформатором тока; б – реле с шунтом.
КК – контакты реле; БМ – биметаллическая пластина; ТТ – трансформатор тока; Ш – шунт.
Для уменьшения величины тока короткого замыкания, протекающего по элементам реле, в некоторых типах реле ток на биметалл (нагреватель) подаётся не напрямую, а через быстронасыщающийся трансформатор тока, конструктивно связанный с самим реле, рисунок 8 а. Примером такого реле может служить электротепловое реле типа ТРТ-150.
В конструкции некоторых типов электротепловых реле предусмотрена возможность установки шунта, например, однофазные тепловые реле серий ТРА (типы реле ТРА-52, ТРА-60, ТРА-71, ТРА-84, ТРА-100, ТРА-119, ТРА-140, ТРА-166, ТРА-196), ТРВ (типы реле ТРВ-43, ТРВ-51, ТРВ-61, ТРВ-73, ТРВ-87, ТРВ-104, ТРВ-124, ТРВ-148, ТРВ-176), ТРЗ (типы реле ТРЗ-10, ТРЗ-15, ТРЗ-25, ТРЗ-35).
Добавление шунта позволяет без увеличения габаритов основных элементов реле, а также при незначительном увеличении размеров самих реле создавать реле на большие номинальные токи.
В реле с шунтом большая часть электрического тока протекает по шунту в обход нагревателя и (или) биметалла, рисунок 8 б.
Материал и форма биметаллических пластин электротепловых реле
Как уже отмечалось выше, термобиметалл (биметалл) представляет собой двухслойный материал, состоящий из слоев металла (сплавов металлов) с разными коэффициентами теплового расширения, сваренных или спаянных между собой по всей плоскости соприкосновения.
Слой биметалла с большим коэффициентом теплового расширения называют активным или термоактивным, а слой с меньшим коэффициентом теплового расширения называют пассивным или термоинертным. При нагреве биметалла его слои расширяются неодинаково, но так как они жестко связаны между собой, биметалл изгибается в сторону слоя, имеющего меньший коэффициент теплового расширения, при охлаждении, соответственно, происходит наоборот: биметалл изгибается в сторону слоя с большим коэффициентом теплового расширения.
Рисунок 9. Принцип работы термобиметалла:
а – при нагревании; б – при охлаждении;
1 – слой с меньшим коэффициентом теплового расширения; 2 – слой с большим коэффициентом теплового расширения.
Отдельные металлы не дают необходимых величин минимального коэффициента линейного расширения, требуемого для термоинертного слоя биметалла. Поэтому, как правило, применяют специальные сплавы. Наиболее распространенными являются сплавы никель-железо. Сталь с 36% содержанием никеля называется инваром (36% никель + 64% железо), именно его чаще всего применяют для пассивного слоя термобиметалла.
В качестве термоактивного слоя биметалла применяют как чистые металлы, например, латунь или константан, так и сплавы. Самым распространенным материалом для изготовления активного слоя является сплав никеля и железа (25% никель + 75% железо), который называется немагнитная сталь. Также часто применяют сплав никель-молибден-железо (27% никель + 5% молибден + 68% железо).
В электрических аппаратах и реле применяют большое количество марок термобиметалла с различными коэффициентами чувствительности и различным удельным электрическим сопротивлением: ТБ-1 (ТБ 1323, ТБ 129/79), ТБ-2, ТБ-3 (ТБ 1423, ТБ 138/80), ТБ-4 (ТБ 0953, ТБ 90/17), ТБ-5 (ТБ 1254, ТБ 120/11), ТБ-6 (ТБ 1353, ТБ 130/17), ТБ-7, ТБ-36 (ТБ 2013, ТБ 200/113), ТБ-37 (ТБ 1613, ТБ 160/122).
Среди указанных марок для изготовления электротепловых реле очень часто применялся термобиметалл марки ТБ-3, состоящий из инвара и немагнитной стали.
Ранее [16] выпускались термобиметаллы марок Б-1 (инвар – немагнитная сталь), Б-2 (инвар – латунь), Б-3 (инвар – константан).
Обычно биметалл, применяемый в тепловых реле, имеет форму полосы (пластинки) разной длины, толщины и ширины.
В реле с прямым нагревом, как правило, применяются биметаллические пластины U или П-образной формы либо полосы, также изогнутые U- или П-образно.
Материал и форма нагревателей электротепловых реле
Для изготовления нагревательных элементов применяют материалы с большим удельным сопротивлением.
Нагреватели реле, рассчитанные на большие токи, как правило, изготавливаются из хромоникелевого сплава (нихрома) в виде пластин разной формы.
Нагреватели, рассчитанные на меньшие токи, изготавливают из проволоки разного диаметра или ленты, которые наматывают на изоляционный термостойкий материал (слюда, фторопласт).
В некоторых типах реле (например, РТ-10, РТК-Х) нагреватели имеют форму плоской змейки или цилиндрической пружины, концы которых жестко зафиксированы, обычно точечной сваркой, на контактных пластинах.
Для проволочного или ленточного нагревателя обычно применяют проволоку или ленту, изготовленные из нихрома, константана, марганцево-никелевого сплава.
Контактные системы биметаллических электротепловых реле
Как уже было описано ранее, электротепловые реле, как и любые другие электрические реле, обычно состоят из трех основных систем: воспринимающей, промежуточной (передающей) и исполнительной.
Воспринимающей системой тепловых электромеханических реле является нагревательный элемент, который преобразует электрическую энергию в тепловую и передает её одному из элементов промежуточной системы – биметаллической пластине.
При определенной температуре биметаллической пластины, то есть при заданной величине тока в нагревательном элементе, пластина изгибается и воздействует на исполнительную систему (контактную систему).
Совокупность биметаллической пластины со всеми дополнительными рычагами, поводками, толкателями и т.п., то есть теми элементами реле, которые осуществляют передачу механической силы движения биметаллической пластины контактам, является промежуточной (передающей) системой.
В ряде конструкций тепловых реле воспринимающая, промежуточная и частично исполнительная система объединены в одну.
Рисунок 10. Конструкции контактных систем электротепловых реле:
а – электротепловое реле с объединенными промежуточной и исполнительной системами;
1 – неподвижный контакт; 2 – биметаллическая пластина с нагревательным элементом и контактом;
б – Электротепловое реле с толкателем;
1 – контактная система; 2 – биметаллическая пластина с нагревательным элементом; 3 – толкатель;
в – Электротепловое реле с прыгающей пружиной;
1 – биметаллическая пластина с нагревательным элементом; 2 – прыгающая пружина; 3 –контактная система;
г – Электротепловое реле с кнопкой возврата;
1 – биметаллическая пластина с нагревательным элементом; 2 – кнопка возврата контактов в исходное положение; 3 – контактная система; 4 – рычаг с подвижным контактом; 5 – пружина; 6 – основание.
Исполнительная система (контактная система) электротепловых реле выполняется разными способами, разберем некоторые из них.
На рисунке 10 а изображена очень часто встречающаяся конструкция недорогих электротепловых реле. Контактная система такого реле состоит из неподвижного контакта 1 и подвижного контакта, который размещен на конце биметаллической пластины 2, то есть биметаллическая пластина одновременно является подвижным контактом.
На рисунке 10 б изображено реле, которое в своей конструкции имеет дополнительный элемент, толкатель 3, который передает механическую силу движения биметаллической пластины контактной системе 1, состоящей из переключающего контакта.
Очевидным недостатком конструкций реле, показанных на рисунке 10 а и 10 б, является медленное размыкание и замыкание контактов при срабатывании и возврате реле, что, естественно, приводит к подгоранию контактов. Примером теплового реле, имеющего такой недостаток, может служить маршрутное термическое реле типа МТР-2.
Для устранения вышеописанного недостатка контакты реле должны действовать моментально, то есть изменять свое состояние скачкообразно. Несколько конструкций реле с моментально переключающимися контактами показаны на рисунке 10 в и 10 г.
На рисунке 10 в показана конструкция электротеплового реле с прыгающей пружиной, его мы рассматривали на предыдущей странице, поэтому повторяться не будем.
На рисунке 10 г показана конструкция электротеплового реле с рычагом, на котором размещен подвижный контакт.
При протекании тока перегрузки по нагревателю биметаллическая пластина 1, находящаяся в зацеплении с рычагом 4, постепенно изгибается по направлению вверх. После того, как биметаллическая пластина выйдет из зацепления с рычагом 4, последний под воздействием пружины 5 повернется против часовой стрелки на своей оси, произойдет изменение состояния контактной системы 3, контакты мгновенно разомкнутся. После снятия тока с нагревателя пластина, постепенно остывая, возвращается в исходное положение, но контакты в исходное положение, как это происходит у реле с прыгающей пружиной, не возвращаются. Для того чтобы вернуть контакты реле в исходное положение, надо нажать на кнопку 2, которая своим толкателем взаимодействует с одним из плеч рычага, возвращая его, а, следовательно, и подвижный контакт, в исходное положение, при этом рычаг 4 встает в зацепление с биметаллической пластиной 1.
Температурная компенсация в биметаллических электротепловых реле
Идеально сконструированное электротепловое реле должно полностью следить за всеми тепловыми процессами в защищаемой электрической машине независимо от режима её работы и от температуры окружающей среды.
Однако в условиях эксплуатации электрические двигатели и электротепловые реле устанавливаются в разных помещениях, а следовательно, они находятся в разных температурных условиях.
Для устранения влияния изменений температуры окружающей среды на ток срабатывания реле в биметаллических электротепловых реле предусматривают температурную компенсацию.
Рисунок 11. Способы устройства температурной компенсации в биметаллических электротепловых реле:
1 – рабочая пластина; 2 – компенсационная пластина; H – раствор контактов.
Существует множество способов температурной компенсации, на рисунке 10 показаны некоторые из них.
По способу, изображенному на рисунке 11а, обе пластинки (рабочая и компенсационная), несущие контакты, сделаны из термобиметалла одной марки и имеют одинаковые размеры. Изменение внешней температуры заставляет изгибаться обе пластинки в одну сторону и на одинаковую величину, поэтому промежуток между контактами (раствор контактов) H останется неизменным, а следовательно, не изменится и температура нагрева для рабочей пластинки, при которой происходит замыкание контактов, то есть ток срабатывания реле будет одинаковым независимо от температуры окружающей среды.
По способу, изображенному на рисунке 11б, две одинаковые по размерам и изготовленные из одного материала биметаллические пластинки (рабочая и компенсационная) жестко связаны с обоих концов, и так как они обращены друг к другу одинаковыми слоями, то изгибающие моменты их будут взаимно уравновешиваться, и промежуток между подвижным и неподвижным контактами (раствор контактов) H также будет оставаться неизменным. Рабочий прогиб всей системы достигается путем дополнительного нагрева рабочей пластины.