МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ЮЖНОГО

ФЕДЕРАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА В Г. ТАГАНРОГЕ

Методическое руководство по выполнению лабораторной работы Исследование теплового реле

по курсу «Электрические и электронные аппараты»

на стенде «Электрические аппараты»

Таганрог 2007

удк 621.3.01 (076.5)

Составители: Д.П. Рассоха, И.А. Тибейко

Методическое руководство к выполнению лабораторной работы «Исследование теплового реле» по курсу «Электрические и электронные аппараты» на стенде «Электрические аппараты».

Методические материалы, изложенные в данной работе, содержат всю необходимую информацию для выполнения лабораторной работы «Исследование теплового реле» при изучении курса «Электрические и электронные аппараты».

Цель данной работы заключается в оказании методической помощи студентам, изучающим курс «Электрические и электронные аппараты».

Даются рекомендации по обработке результатов эксперимента. Приводятся контрольные вопросы.

Табл. 1. Ил.8. Библиогр: 5 назв.

Рецензент:

1. Цель работы.

Ознакомиться с конструкциями тепловых реле.

Изучить принцип действия тепловых реле.

2. Аппараты тепловой защиты

Для защиты электрических цепей от длительного протекания токов перегрузки, в 5—7 раз превышающих номинальные токи, широко применяются аппараты тепловой защиты с термобиметаллическими исполнительными м еханизмами. Термобиметаллический элемент содержит биметаллическую пластину, состоящую из двух материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения а, жестко соединенных друг с другом. Если один конец пластины закреплен (см. рис. 1,а), то ее свободный конец изгибается в сторону изделия из материала с меньшим

Рис. 1 Биметаллическая пластина с нагревательным элементом (а) и способы её подогрева (б)

значением a, а максимальный прогиб составит [4]:

(1)

где a₁ — температурный коэффициент линейного расширения термоактивного материала (например, хромоникелевая сталь), (1 на рис. 1,a); a₂ — температурный коэффициент линейного расширения термоактивного материала (например, инвар, 2 на рис. 6.1,а); — длина биметаллической пластины; q — превышение температуры биметаллической пластины над температурой окружающей среды; d — суммарная толщина биметаллической пластины.

Известны три способа подогрева пластины нагревательным элементом (рис. 1,б): непосредственный, косвенный и комбинированный. Выбор способа подогрева определяется значением протекающего по цепи тока.

В некоторых тепловых реле (например, в реле 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 [3].

При нагреве пластины 1 (рис. 2,а) она изгибается в направлении усилия P₁ 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,б. 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

Е ще большее быстродействие достигается в конструкции рис. 2,в.

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 ¾ 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,д осуществляется компенсация прогиба пластины, а на рис. 2,е дан вариант исполнения пластины с компенсацией усилия.

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.

При незначительных длительных перегрузках в электродвигателях, электромагнитах и других токоприемниках, возникающих при возрастании момента сопротивления на рабочем органе машины или за счет витковых замыканий в обмотках, протекает ток, превышающий допустимое значение на 20...50%. Такой режим работы приводит к перегреву обмоток и электродвигателя в целом, а следовательно, к

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).

преждевременному выходу его из строя. Для защиты электрооборудования от таких перегрузок служат тепловые реле, которые включают последовательно в контролируемую цепь.

Тепловые реле работают в цепях переменного и постоянного тока. Их используют как самостоятельно, так и в составе магнитных пускателей.

Основным элементом теплового реле является биметаллическая пластина.

Нагрев биметаллического элемента может производиться за счет тепла, выделяемого в пластине током нагрузки. Оченьчасто нагрев биметалла производится от специального нагревателя, по которому протекает ток нагрузки. Лучшие характеристики получаются при комбинированном нагреве, когда пластина нагревается за счет тепла, выделяемого специальным нагревателем, также обтекаемым током нагрузки. Прогибаясь, биметаллическая пластина своим свободным концом воздействует на контактную систему, обеспечивая срабатывание реле.

Основной характеристикой теплового реле является зависимость времени срабатывания от тока нагрузки (времятоковая характеристика), имеющая вид на рис. 4.

Рис. 4 Времятоковая характеристика теплового реле

Для обеспечения надежной защиты время-токовая характеристика реле должна проходить во всем диапазоне изменения токов перегрузки ниже время-токовой характеристики защищаемого оборудования, что достигается правильным выбором теплового реле по току.

Реле изготовляют одно-, двух- и трехфазного исполнения (типов РТ, ТРВ, ТРА, ТРН, ТРП и РТЛ) на различные токи от 0,5 до 600А. Номинальный ток теплового реле является его максимально допустимым током, а сменные тепловые элементы позволяют получить для каждого типоразмера реле от 4 до 12 номинальных токов уставки. При этом для каждого теплового элемента его ток уставки может изменяться (уменьшаться) специальным регулятором до 30% от номинального значения, а некоторые типы реле (ТРН) имеют предел регулирования от 0,75 до 1,25I_н.

Тепловые реле выбираются по номинальному току теплового элемента и номинальному току двигателя:

U_{ном.реле}  U_сети; I_{ном.реле} = I_ном.дв. - для двигателей, работающих в длительном режиме работы.

Для двигателей, работающих в кратковременном режиме, тепловая защита не используется за исключением случаев возможной работы двигателя на упор.

Современные магнитные пускатели комплектуются тепловыми реле нового поколения. Реле серии РТЛ 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.