3.6.7. Тепловые реле

Измерительным органом теплового реле является биметаллический элемент, который при нагревании изгибается и переводит контактную систему в противоположное состояние.

Биметаллический элемент представляет собой двухслойную пластинку из металлов с разными температурными коэффициентами линейного расширения скрепленных между собой.

При нагреве слой термоактивного металла существенно расширяется, в то время как слой термоинертного металла практически не деформируется. Если один конец пластинки жестко закрепить, то другой конец будет изгибаться и приводить в действие контактный механизм. Конструкция теплового реле приведена на рис. 3.35.

Рис. 3.35. Конструкция теплового реле

На рисунке введено следующее обозначение: 1 – биметаллическая пластина; 2 и 8 – упоры; 3 – кнопка ручного возврата; 4 – диэлектрическая колодка; 5 – подвижный контакт; 6 – неподвижный контакт; 7 – фиксирующая пружина; НЭ – нагревательный элемент.

Термочувствительность биметаллического элемента зависит от свойств составляющих его металлов, чем большую разность коэффициентов линейного расширения они имеют, тем более чувствителен элемент.

Наиболее часто в тепловых реле используется плоская биметаллическая пластинка, закрепленная на одном конце. Рассматривая такую пластинку как консольную балку и пользуясь соотношениями, известными из курса сопротивления материалов, находим стрелу прогиба биметаллической пластинки (м)

, (3.45)

где ₁ – ₂ – разность коэффициентов линейного расширения 1/ °С; Т – температура нагрева биметалла, °С; T_окр – температура окружающей среды, при которой биметалл имеет стрелу прогиба, равную нулю (обычно Т_окр = 40 °С); l_ – длина биметаллической пластинки, м;  – общая толщина пластинки ( = ₁ + ₂), м, здесь ₁ и ₂ толщина первой и второй металлической пластинки, соответственно.

На рис. 3.36 дана типичная для тепловых реле зависимость времени срабатывания t от тока i.

Рис. 3.36. Характеристика теплового реле

При минимальном или пограничном токе срабатывания I_п время срабатывания велико, с увеличением тока оно уменьшается. Степень этого уменьшения отражена на рис. 3.36, для двукратного 2I_п и восьмикратного 8I_п токов по отношению к пограничному току I_п.

Если известна зависимость между током i и температурой нагрева Т биметаллического элемента, которая определяется решением уравнения баланса подводимой и отводимой мощностей в элементе, то, задавшись величиной прогиба h₀, необходимой для срабатывания, из (3.45) находится температура срабатывания реле, а по ней – пограничный ток I_п.

Коэффициент линейного расширения для некоторых металлов при температуре около 20 °С приведен в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Коэффициент линейного расширения металлов и сплавов

Металл или сплав	, 10–6 К–1
Бронза	17,5
Висмут	13,4
Вольфрам	4,3
Инвар (36,1 % Ni)	0,9
Иридий	6,5
Константан	17,0
Латунь	18,9
Никель	13,4
Сталь нержавеющая	9,6 – 16,0

Пределы упругости компонентов должны быть высокими, чем они выше, тем выше температура нагрева элемента, которая не вызывает остаточной деформации.

В качестве термоинертного компонента часто применяют инвар, сплав никеля с железом и добавкой других металлов. В инвар ЭН-36 входит 36% никеля, в инвар Н-42 – 42% никеля.

В качестве термоактивного компонента используется сталь различных марок, латунь, константан.

Для распространенного биметалла – пары инвар ЭН-36 – хромоникелевая сталь разность коэффициентов линейного расширения составляет 1810^–6 С^–1, рабочая температура от –60 до +200 С.