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.
