3. Электротермические (тепловые) реле

Эти реле предназначены для автоматического переключения электрических контактов в зависимости от температуры. Эта задача актуальна для различных технических объектов как в промышленности, в т.ч. автомобильной, так и в бытовой технике (утюги, холодильники и т.д.). Потребность в тепловых реле очень большая, и поэтому основными требованиями, предъявляемыми к ним, является простота и надежность.

Наиболее широкое распространение получили тепловые реле с биметаллическими элементами в виде жестко соединенных сваркой или пайкой двух пластин из материалов, имеющих существенно разный температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР). Например (рис. 13), одна пластина может быть изготовлена из сплава никеля и железа (инвара), имеющего ТКЛР, равный (0,6-1,0)∙10^-6 К^-1, а другая – из латуни с ТКЛР, равным 18∙10⁶ К^-1. Поэтому при нагреве такой пластины она будет изгибаться в сторону инвара, т.к. слой из латуни удлиняется сильнее.

Рис. 13. Конструктивные схемы теплового реле: а – биметаллическая пластина реле одновременно является проводником контролируемого тока, б ‑ контролируемый ток оказывает тепловое воздействие на пластину посредством нагревательной спирали, включенной в контролируемую цепь

Биметаллическую пластину, как правило, используют в виде защемленной термоупругой балки. Разогрев ее осуществляется либо самим контролируемым током, либо специальным нагревателем, температуру которого контролируют. В любом случае при разогреве сверх установленного предела биметаллическая пластина размыкает контакты контролируемой цепи. В тепловых реле защиты электродвигателей от перегрузки самопроизвольный возврат пластины в исходное положение после ее охлаждения делают невозможным, так как оператор сначала должен выяснить причины перегрузки двигателя, после чего он при необходимости может вручную включить тепловое реле.

Биметаллические реле обладают большой инерционностью и не реагируют на большое, но кратковременное увеличение тока. Поэтому пусковые токи электродвигателей не приводят к их срабатыванию.

Основным недостатком тепловых реле является их низкая точность срабатывания, однако, благодаря своей простоте и низкой стоимости они получили большое распространение.

Из числа других электротермических реле следует упомянуть электроконтактные термометры, в которых контакты замыкаются столбиком ртути. Их точность намного выше, чем у биметаллических реле. Известны также электротермические реле, работающие за счет изменения объема газа при нагревании. Расширяясь при нагреве, газ вытесняет ртуть со дна баллона, в связи с чем происходит размыкание контактов.

4. Магнитоуправляемые контакты.

Отказ электромагнитного реле часто связан с окислением контактов под действием внешней среды. Для устранения этого недостатка контакты герметизируют, а их управление осуществляют магнитным полем, для чего в качестве материалов для контактов используют ферромагнитные материалы. К таким контактам относят герконы (герметизированные контакты, рис. 14) и ферриды.

Контакты, в качестве которых используются внутренние концы пластин, покрывают золотом, радием или вольфрамом.

Большая часть управляемого магнитного потока в герконах проходит по воздуху, имеющему значительное магнитное сопротивление, в связи с чем чувствительность геркона невелика. Для повышения чувствительности используют герконы с внешним магнитопроводом, получившим название «ферриды» (рис. 15), т.к. первоначально этот магнитопровод изготавливали из феррита.

При этом увеличивается инерционность и, соответственно, - постоянная времени, т.к. вырастает индуктивность системы. В связи с тем, что материал магнитопровода имеет остаточную намагниченность, феррид остается включенным и после снятия управляющего сигнала, т.е. «запоминает» информацию.

С целью повышения чувствительности в ферридах используют поляризующие постоянные магниты. В этом случае даже небольшой ток в обмотке, усиливающий поле постоянного магнита, уже приводит к срабатыванию устройства.

Использование постоянных магнитов и обмоток позволяет делать поляризованные реле – при совпадении магнитных полей магнита и обмотки реле включается, при пропускании противоположно направленного тока – выключается.

Реле на магнитоуправляемых контактах могут производить несколько сотен срабатываний в секунду, а общее число срабатываний может достигать 10¹². При этом сопротивление в контактах очень низкое, около 10^-3 Ом. Выпускаемые промышленностью герконы имеют массу 0,4-3 г.

На основе герконов выпускают высоконадежные промежуточные электромагнитные реле с числом контактных групп до 10-ти.

Основным недостатком герконовых реле являются невозможность передачи больших токов и «дребезг» контактов. Например, при 3-5-ти кратном увеличении тока происходит «сваривание» контактов, так как отвод теплоты от них чрезвычайно затруднен. Поэтому такие реле нельзя применять в цепях, где возможно даже кратковременное увеличение токов. Дребезг контактов – это их вибрация при срабатывании – после подачи сигнала контакты сначала замыкаются, а потом сразу размыкаются под действием сил упругости. Таких циклов в процессе срабатывания может быть несколько. Колебания продолжаются и после прекращения размыкания, при этом колеблется и сопротивление контакта. Для борьбы с этим явление используются специальные методы.

На рис. 16 показаны различные виды использования реле на основе герконов.

Магнитоуправляемые контакты специальной конструкции начинают все шире применяться при коммутации силовых цепей мощностью несколько сотен ватт. В них используются более массивный жесткий контактный сердечник, закрепленный на возвратной пружине, сопротивление контакта понижено, приняты меры по улучшению теплоотвода.

Для коммутации больших мощностей используются также жидкометаллические герметизированные контакты с использованием ртути в качестве токопроводящего материала.

Контрольные вопросы:

1. Что такое «коммутационные элементы», каких типов они бывают и для чего используются??

2. Что такое «кнопка» и «кнопочная станция», как они работают и какие имеют характеристики?

3. Какие типы выключателей и переключателей используются чаще всего, и какие они имеют характеристики?

4. Как устроено и как работает электромагнитное неполяризованное и поляризованное реле, какие они имеют характеристики?

5. Что такое «геркон» и «феррид», для сего используются, какие имеют характеристики?

6. В чем преимущества и недостатки герконов по сравнению с обычными электромагнитными реле?