Для защиты электрических цепей от длительного протекания токов перегрузки, в 5 — 7 раз превышающих номинальные токи, широко применяются реле 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. Если один конец пластины закреплен (рис. 1, а), то ее свободный конец изгибается в сторону материала с меньшим значением а. При этом максимальный прогиб биметаллической пластины над температурой окружающей среды; δ — суммарная толщина биметаллической пластины.
Существуют три способа подогрева пластины нагревательным элементом (рис. 1, б): непосредственный, косвенный и комбинированный. Выбор способа подогрева определяется значением протекающего по цепи тока.
Рис. 1. Биметаллическая пластина с нагревательным элементом (а) и способы ее подогрева (б): 1,2 — термоактивные материалы; 3 — нагревательный элемент
В некоторых тепловых реле (например, ТРН-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 1 (рис. 2, а) она изгибается в направлении усилия Р1 и, воздействуя на штифт 3, перемещает подвижный пружинный контакт 2 до размыкания с неподвижным контактом 4. Изменяя положение контактов 2 и 4, можно менять уставку реле по току срабатывания. После охлаждения биметаллической пластины реле возвращается в исходное положение. Подогрев пластины реле может осуществляться непосредственным либо косвенным способом. Данное устройство имеет малое быстродействие.
Указанного недостатка лишена конструкция, представленная на рис. 2, б. Биметаллическая пластина 1 служит защелкой, удерживающей контакты 2 и 4 в замкнутом состоянии. При нагреве пластина изгибается и освобождает контакты, которые размыкаются под действием пружины 5. Возврат пластины в исходное состояние осуществляется вручную.
Рис. 2. Схемы (а...е) биметаллических устройств тепловых реле:
1 — биметаллическая пластина; 2, 4 — подвижный и неподвижный контакты; 3 —
штифт; 5, 6 — пружины
Еще большее быстродействие достигается в конструкции, показанной на рис. 2, в. Пластинчатая пружина 6 удерживает контакты реле в замкнутом состоянии до тех пор, пока усилие Рх, развиваемое пластиной при ее нагреве, не становится больше усилия Р2, развиваемого пружиной. При этом пластина скачком выгибается в сторону действия усилия Ру и размыкает контакты реле. Возврат системы в исходное состояние происходит автоматически после остывания пластины.
Разновидностью описанной конструкции является устройство, представленное на рис. 2, г. В данной системе одновременно происходят скачкообразные перемещения пластины и контактов. Система имеет самовозврат.
Для исключения влияния температуры окружающей среды на характеристики тепловых реле в них предусматривают термокомпенсацию за счет использования дополнительной биметаллической пластины. В конструкции, показанной на рис. 2, д, осуществляется компенсация прогиба пластины, а на рис. 2, е представлен вариант исполнения пластины с компенсацией усилия.
Рис. 3. Время-токовые характеристики реле ТРН-10А:
1 — зона время-токовых характеристик реле, начинавшего работу в холодном состоянии (при пуске двигателя); 2 — зона время-токовых характеристик реле, начинавшего работу в горячем состоянии (после прогрева номинальным током)
Тепловые реле с термобиметаллическими пластинами широко применяются для защиты статорных обмоток электродвигателей от длительного протекания токов перегрузки как в режиме пуска двигателя, так и в режиме технологических перегрузок. Эти реле относятся к аппаратам защиты косвенного действия, так как реагируют не на превышение температуры защищаемого объекта, а на ток, вызывающий это превышение. Недостатками тепловых реле являются: малая термическая стойкость к протекающим по реле сверхтокам, нерегулируемость защитной характеристики, большое время срабатывания, существенные потери энергии, большой разброс по току и времени срабатывания реле, необходимость в остывании. Достоинствами тепловых реле являются: малые размеры, масса и стоимость, простота конструкции и надежность в эксплуатации.
Основной защитной характеристикой реле является время-токовая характеристика, т. е. зависимость времени срабатывания реле от кратности тока в цепи по отношению к номинальному току (рис. 3).
Современные магнитные пускатели комплектуются тепловыми реле нового поколения. Реле серии РТЛ имеет трехполюсное исполнение, механизм для ускорения срабатывания при обрыве фазы ста- торной обмотки двигателя, регулятор тока несрабатывания и несменные нагревательные элементы. В реле предусмотрена термокомпенсация. Оно обладает высоким быстродействием, 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.
