3.6 Питання для самоперевірки

3.6.1 Що таке реле часу і де вони використовуються?

3.6.2 Які складові має час спрацьовування електромагнітного реле?

3.6.3 Якими способами можна збільшити час спрацьовування електромагнітних реле?

3.6.4 В чому полягає принцип магнітного демпфування?

3.6.5 Як можна регулювати час спрацьовування реле з магнітним демпфуванням?

3.6.6 Поясніть залежності tспр = f(n); tспр = f() і tспр = f(Uж).

3.6.7 Яким чином здійснюється механічне демпфування в реле часу?

3.6.8 Поясніть наявність похибки спрацьовування реле часу з механічним демпфуванням.

4 Лабораторна робота № 12 біметалеві теплові реле

4.1 Мета роботи

Ознайомитися з принциповим виконанням теплових реле; вивчити конструкцію і зняти дослідним шляхом часострумову характеристику реле типу ТРН-25; засвоїти принцип дії теплових реле всіх типів, види нагрівання біметалевих пластин, що використовуються в теплових реле; матеріали, що використовуються для виготовлення біметалевих пластин; способи регулювання струму спрацьовування теплових реле у вузькому та широкому діапазонах; навчитися відображати схему включення теплового реле захисту електродвигуна; знімати і будувати часострумову характеристику теплового реле.

4.2 Загальні відомості

Довготривалість електричного обладнання в значній мірі залежить від перевантажень, яким воно піддається під час роботи. Якщо термін служби електродвигуна в нормальному режимі експлуатації дорівнює 20 рокам, то при його тепловому перевантаженні на 180% термін служби двигуна зменшується до одного місяця. Для захисту електричного обладнання, зокрема електродвигунів, від нагріву за рахунок струмів перевантаження, яке є вищим за допустиме значення, найбільш широке розповсюдження отримали теплове реле з біметалевими пластиками. Схема включення теплового реле захисту асинхронного двигуна з КЗ ротором показана на рисунку 4.1.

Основний елемент теплового реле – є біметалева пластина, яка виконана з двох металів, що мають різні температурні коефіцієнти лінійного розширення. Метал з більшим коефіцієнтом лінійного розширення α₁ називається активним, а з малим коефіцієнтом α₂ - пасивним. У місці накладання одна до одної пластини жорстко закріплені в результаті прокату в гарячому стані або зварювання.

Якщо закріпити нерухомо один кінець такої пластини і нагріти, відбудеться згинання пластини у бік пасивного шару. Саме це явище використовується у теплових реле, терморегуляторах і т.і.

Максимальний прогин незакріпленого кінця біметалевої пластини розраховується за формулою:

(4.1)

де і - коефіцієнти лінійного розширення відповідно до активного та пасивного шарів, 1/°С;

l - довжина пластини, мм;

τ - перевищення температури нагріву пластини над температурою навколишнього середовища, ° С;

δ - сумарна товщина пластини, мм.

Рисунок 4.1 - Схема включення та захисту електродвигуна від перенавантаження за допомогою теплового реле

Вільний кінець пластини розвиває таку силу:

(4.2)

де b-ширина пластини, мм;

Е-середній модуль пружності пластини Н / мм ²;

З рівнянь (4.1), (4.2) виходить, що прогин і сила тим більше, чим більше різниця . Для активних шарів застосовуються железонікельмолібденові сплави, що мають 1/°С, а також сплави на мідній основі: латунь, константан, алюмінієва та берилієва бронза з 1/°С.

Для пасивних шарів набули поширення железонікелеві сплави з 36%-м вмістом нікелю 1/°С.

Біметалеві пластини можуть нагріватися електричним струмом, що протікає безпосередньо пластиною (безпосереднє нагрівання), а також від окремих нагрівальних елементів (непряме нагрівання). У деяких апаратах поєднуються безпосереднє і непряме нагрівання (комбіноване нагрівання).

При безпосередньому нагріванні широке регулювання струму спрацьовування теплового реле здійснюється добиранням відповідних опорів (шунтів), що вмикаються паралельно біметалевій пластині. Широке регулювання струму спрацьовування при непрямому нагріванні зазвичай виконується за допомогою заміни нагрівальних елементів.

Регулювання струму спрацьовування в невеликих межах досягається зміною:

• прогину біметалевої пластини, необхідного для спрацьовування механізму, що відключає;

• зусилля, що розвиває біметалева пластина.

В реле ТРН-25 можливий прогин біметалевої пластини регулюється за допомогою ексцентрика 3. Діапазон регулювання струму уставки ± 25% ·Iн.

До основних вимог, що пред'являються до конструкцій теплових реле, відносяться:

- мала залежність уставки спрацьовування від температури навколишнього середовища;

- швидке розмикання і замикання контактів в колі.

Крім того, в замкнутих контактах має бути забезпечено достатнє натискання.

Перша вимога зазвичай задовольняється підвищенням робочої температури біметалевого пристрою, при якому воно спрацьовує. Друга вимога в сучасних конструкціях задовольняється, як правило, за допомогою пружин - циліндричних, гвинтових або пластинчастих.

На рисунках 4.2 показано декілька принципових конструктивних виконань біметалевих механізмів теплових реле.

Розмикання контактів 9 у механізмі, що зображений на рисунку 4.2 а), відбувається під дією пружини 1 в той час, коли біметалева пластина 3, що згинається при нагріванні, звільнить засувку 5. Біметалева пластина нагрівається елементом 4. Упор 2 обмежує хід засувки 5 при розмиканні контактів. Даний механізм не забезпечує автоматичного замикання контактів після охолодження біметалевої пластини. Повернення реле у початкове положення здійснюється вручну натисканням на кнопку 6, що комплектується пружиною 7.

За допомогою регулювального важеля 8 змінюється відстань, на яку має прогнутися біметалева пластина, щоб звільнити засувку 5. Чим більше відстань х, тим більший струм в нагрівальному елементі, при якому реле спрацьовує за один і той же час.

Робота механізму, що зображена на рисунку 4.2 б), аналогічна роботі згаданого механізму.

Пластинчатий елемент 8 нагріває біметалеву пластину 7, яка згинаючись, повертає рамку 9, жорстко з’єднану з термокомпенсатором 6. Термокомпенсатор стискає пружину 4 і знімає засувку 5 з упору 2, звільнивши тим самим пружину 10, яка, виштовхуючи вгору ізоляційну траверсу, розімкне контакти 11. Зворотне замикання контактів здійснюється вручну натисканням на траверсу 1 (після охолодження біметалевої пластини), при цьому засувка 5 встановлюється на упор 2. Струм уставки реле в невеликому діапазоні регулюється зміною відстані між засувкою 5 і термокомпенсатором 6 за допомогою пристрою ексцентрика, що оснащений покажчиком 3. При повороті покажчика упор 2 перемішується, змінюючи відстань від засувки 5 до термокомпенсатора 6.

Термокомпенсатор 6 являє собою звичайну біметалеву пластину і служить для зниження впливу температури навколишнього середовища на струм уставки реле. Зі зміною температури навколишнього середовища термокомпенсатор вигинається в бік, зворотній вигину біметалевої пластини 7.

У механізмі (рисунок 4.2 в) розмикання контактів 2 здійснюється пластинчатою пружиною 6, зусилля якої при згинанні біметалевої пластини 4 на певне значення стрибком змінює свій напрямок. Пластина 4 нагрівається елементом 5.

Залежно від розташування упору 3 даний механізм може повертатися у початкове положення автоматично при охолодженні пластини 4. Важелем 1 змінюється вигин пружини 6, за рахунок чого змінюється струм, при якому спрацьовує реле. До числа основних недоліків такого механізму слід віднести зниження натискання в контакті 2 в залежності від вигину біметалевої пластини 4.

У механізмі (рисунок 4.2 г) при нагріванні за рахунок елемента 4 біметалева пластина 3 спочатку випрямляється. При цьому планка 5 відхиляється, і пружина 2 розтягується. Після того, як пластина 3 почне прогинатися у зворотний бік, її зусилля співпадає з зусиллям пружини 2 і відбувається швидкий вигин пластини і розмикання контактів 7. Упор 6 обмежує розхил контактів, а за допомогою гвинта 1 можна змінювати в певних межах струм спрацьовування реле та його часо - струмову характеристику.

У механізмі, зображеному на рисунку 4.2 д), залежно від вигину біметалевої пластини 4 змінюється напрямок дії пружини, що була попередньо стиснута 9, відносно вісі обертання контактної колодки 1. В холодному стані край пластини 4 притиснутий до упору 8, і зусилля пружини буде діяти на замикання контактів 10. З нагріванням елемента 5 вона разом з верхнім краєм пружини буде згинатися в бік упору 2. Напрям зусилля пружини 9 буде змінюватися, і вона буде діяти на розмикання контактів під час переходу через центральну вісьову лінію колодки 1.

Струм спрацьовування реле регулюється важелем 6, що переставляється по зубчатому сектору 7, фіксують його положення. При пересуванні важеля 6 змінюється вигин біметалевої пластини.

Повернення реле в початкове положення може статися автоматично при охолодженні пластини. Однак, якщо прибрати упор 11, то при спрацьовуванні контактна колодка може повернутися так, що повернення в початкове положення буде неможливо. У конструкціях таких реле передбачена кнопка повернення 3.

Механізм В.А. Олексіївського (рисунок 4.2 е) являє собою конструктивне поєднання біметалевого елемента 1 із стрибаючою контактною групою 5. В холодному стані біметалева пластина притиснута до верхнього упору 2 плоскою пружиною-ресоркою 3, яка другим краєм здійснює натискання в контакті 5. Ресорка може вільно повертатися в місцях її кріплення до пластини та колодки з контактами. З нагрівом біметалевої пластини, її зусилля на кінці долає зусилля ресорки, і пластина почне вигинатися. Як тільки край ресорки, закріплений на пластині, опиниться нижче края, який закріплений на контактній колодці, відбудеться розмикання контактів.

Рухомий контакт буде притиснутий ресоркоюй до упору 4. Залежно від розташування упору 4 механізм буде зручним поверненням або з самозворотом. Якщо упор 4 розташований нижче ніж упор 2, то при охолодженні пластини відбудеться автоматичне замикання контактів 5. В іншому випадку можливе лише ручне повернення у початкове положення. Сила струму спрацьовування в механізмі В.Л. Олексіївського регулюється зміною довжини ресорки 3. С цією метою на краях ресорки зроблено декілька спеціальних просечек, за допомогою яких вона натягується на виступи біметалевої пластини 1, а також контактної колодки 6.

Основна характеристика теплових реле - їх часострумова характеристика, що показує, як змінюється час спрацьовування в залежності зміни струму в колі. У загальному випадку часострумова характеристика має гіперболічний характер. Захист електричних пристроїв відбудеться в тому випадку, коли часострумова характеристика теплового реле розташовується трохи нижче захисної характеристики електричного пристрою на всьому діапазоні можливих струмів перевантаження.

Для захисту електричного пристрою від струмового перевантаження широке застосування знайшли теплові реле типів ТРA, ТРВ, ТРП, РТ, ТРН, ТРТ.

Реле ТРА служить для захисту двигунів малої та середньої потужностей змінного і постійного струмів за важких умов пуску (тривалий пусковий режим, велика кратність пускового струму). Випускається до 23-х виконань на номінальні струми 7...215 А.

а, б - механізми зі звільняємою засувкою; в - механізми зі стрибаючим контактом; г - механізм зі стрибаючою біметалевою пластиною; д - механізм зі зміною напрямку сили циліндричної пружини; е - механізм В. А. Олексіївського.

Рисунок 4.2 - Ескізи біметалевих механізмів теплових реле

Реле ТРВ служить для захисту двигунів з легкими умовами пуску. Випускається до 20-ти виконань на номінальні струми 7...200 А.

Реле ТРА і ТРВ мають комбіновану систему нагріву з плоскими ніхромовими нагрівальними елементами, що з'єднані паралельно з біметалевою пластиною. Починаючи з 50 А і вище, застосовуються шунти, які підключаються зовні паралельно пакету біметалевих і ніхромових пластин. Шунти мають дев'ять виконань, однакових для реле типів ТРА і ТРВ.

В якості біметалевого механізму в реле цих типів прийнятий механізм В.А. Олексіївського (рисунок 4.2 е), що забезпечує повернення у початкове положення після спрацьовування протягом не більше 3 хвилин. Контакти реле забезпечують відключення струму до 1 А при 220  постійного струму і 10 А при 380 В змінного струму. Розташування реле на пристрої довільне.

Реле серії РТ (PT-1 і РТ-3) є апаратами в більшості відкритого виконання (реле PT-1 має також і закрите виконання) з непрямою системою нагрівання. Принциповий пристрій механізму реле цієї серії є аналогічний механізму, показаному на рисунку 4.2 а). Широке регулювання струму спрацьовування проводиться заміною нагрівального елемента 4 реле. Усього виготовляється 56 номерів нагрівальних елементів на номінальні струми 0,64...40 А. Вибір необхідного номера нагрівального елемента здійснюється за спеціальною таблицею. Реле не спрацьовує при пуску електродвигунів, що мають кратність пускового струму К = 7 і тривалість пуску 1,5 с, у тому випадку, коли до і після пуску електродвигуна через реле протікає струм, що дорівнює номінальному струму цього нагрівача.

Теплові реле серії ТРП на струми 1...600 А в більшості випадків використовуються в магнітних пускачах типу ПА. Вони виготовляються однополюсними на номінальні струми 25, 60, 80, 150, 600 А. Принциповий пристрій біметалічного механізму зображено на рисунку 4.2 д). Реле ТРП (за винятком ТРП-600, що не має нагрівача) мають комбінований нагрів. З'єднання біметалевої пластини та нагрівача виконується паралельним. Повільне змінення струму спрацьовування в межах (0,75 ... 1,25) Iн проводиться переводом пружинного важеля по зубчастому сектору, що фіксує його положення. Більш широке змінення струму уставки проводиться заміною нагрівального елемента. Коло керування може виконуватися з одним розмикаючими або з одним замикаючим контактом. Контакти допускають розмикання кола змінного струму напругою до 500 В і струмом до 10 А і кола постійного струму напругою U = 220 В і струмом I = 0,5 А. Теплові реле серії ТРН струмами 0,4 ... 40 А двофазні з термокомпенсацієй в більшості випадків використовуються в магнітних пускачах серії ПМИ, П6 і ПА-300. Всі теплові реле цієї серії мають непрямий нагрів за допомогою пластинчастих ніхромових нагрівачів.

Принциповий пристрій реле ТРН показано на рисунку 4.2 б).

Реле ТРН має симетричне компоновку двох теплових елементів, включених у дві фази головного кола електродвигуна. Передбачено залежний вплив струму кожного полюса на механізм, який замикає контакти. Регулювання номінального струму уставки за допомогою ексцентрикового пристрою провадиться в межах (0,75 ... 1,25) Iн.

Теплові реле серії ТPT-100 на струми 1,75 ... 550 А застосовуються в магнітних пускачах типу ПМ і магнітних станціях керування. Серія реле TPT-100 складається з п'яти типів, кожний з яких має ряд виконань. Реле 1-го типу (окрім реле TPT-115) мають безпосередній нагрів, а реле 2-го, 3-го і 4-го типів, а також ТРТ-115 мають плоскі нагрівачі, які додатково підігрівають біметалеву пластину. Нагрівачі можуть бути включені з біметалевою пластиною послідовно, паралельно, послідовно-паралельно. Реле 5-го типу нагрівачів не мають і виготовляються разом з трансформатором струму.

Електрична схема для зняття часострумової характеристики досліджуваного реле показана на рисунку 4.3.

У схемі передбачені чотири реле з однаковими нагрівальними елементами КК0, КК1, КК2, ККЗ з метою прискорення процесу зняття часострумової характеристики. Нагрівальний елемент КК0 служить для виставлення необхідного значення струму. Часострумова характеристика знімається на реле КК1, КК2, ККЗ.