Тепловое реле

Тепловое реле – это устройство, замыкающее или размыкающее цепь под влиянием сигналов от агрегатов, работающих от изменения температуры среды. Нагрев проводников электричеством замечали многие исследователи, а количественное описание даёт закон Джоуля-Ленца. Благодаря знанию этой зависимости, биметаллические конструкции могут применяться для контроля тока или температуры.

Устройство, работающее от температуры среды

Устройство, работающее от температуры среды

Кратко о тепловых реле

Тепловые реле в холодильниках совмещают с пускозащитными. Но такие применяются во многих двигателях. Отличие защитных в электромагнитной конструкции, где катушка может мгновенно реагировать на резкое повышение тока. Тепловые же работают с интегрированием эффекта на некотором отрезке времени. Суть в том, что обмотка из меди в некоторых случаях может перегреться. В мясорубках это случается в тот момент, когда заклинивает вал. Тогда ток повышается до большой величины. Чтобы как-то этого избежать, часто изготовитель включает в механическую передачу пластиковые шестерни, которые ломаются в таком случае и спасают ситуацию. Но, конечно, лучше применять тепловые реле.

Принцип их действия обычно основан на свойствах биметаллических пластин. Это двухслойные материалы из пары с неодинаковым коэффициентом линейного расширения. В результате при изменении температуры биметаллическая пластина гнётся в ту или иную сторону. Такие контакты используются повсеместно, начиная электрическими утюгами и заканчивая чайниками, но! Измерение тока происходит преимущественно в тепловых реле. Во всех остальных случаях нагрев вызывается изменением температуры прибора: пара, ТЭНа и пр.

Да, в тепловых реле такой принцип используется тоже, и это один из вариантов (см. патент US292586 A), но более распространён другой – с защитой по току. В последнем случае используется упомянутый закон Джоуля-Ленца. С течением времени тепловой эффект накапливается, и при соблюдении некоторых условий реле срабатывает. Обрыв цепи блокирует дальнейший рост температуры. Условия срабатывания реле тесно связаны с конструкцией двигателя.

Так например, для любого типа компрессора холодильника есть своя пара, работая с которой он совершенно точно не сгорит. И наоборот, не соблюдая целостности тандема компрессора и двигателя, можно вызвать самые разные неисправности.

Для трёхфазных цепей обычно используются двух- или трёхполюсные тепловые реле. Они включаются между двумя линиями (если нейтраль короткозамкнутая), и в нормальном режиме ток здесь очень мал. При очень большой мощности вместо непосредственного присоединения к цепи используются трансформаторы тока. Но эффект получается тот же: при обрыве любой фазы равновесие нарушается, и нагрузка на тепловое реле значительно увеличивается. В результате происходит разогрев биметаллической пластины, и цепь обрывается. Таким образом, двигатель спасается от перегрева и других негативных последствий.

Тепловое реле не только не защищает от короткого замыкания, но и само нуждается в охране от подобной ситуации. В противном случае цепь легко сгорает.

История создания тепловых реле

Идея регулировки температуры возникла в XVII веке. Английский изобретатель Корнелиус Дреббель применил её в двух своих изобретениях: печи и инкубаторе для цыплят. То и другое требовало ответственного подхода. И Дреббель сумел реализовать свою концепцию, используя ртуть. Любопытный факт: на момент начала третьего десятилетия термометров, как таковых не существовало. Тем более, работающих на ртути. Вот почему некоторые историки склонны и изобретение термометра приписывать Корнелиусу Дреббелю. Касательно печей новшество заключалось в следующем:

  • Топка снабжалась воздухом через сопло, снабжаемое регулируемой заслонкой.
  • В зависимости от конструкции сооружение оборудовалось неким подобием реторты, дно которой размещалось в пепле, либо углях.
  • Изменяющийся уровень ртути позволял осуществлять поддержание температуры на заданном уровне путём регулирования объёма подаваемого воздуха.
Патент US1477455 A

Патент US1477455 A

Аналогичного рода конструкция была предложена инженерами компании Вестингауз Электрик в 1917 году (патент US1477455 A). Уровень ртути позволял замкнуть или размокнуть цепь в зависимости от изменяющейся температуры. Но ещё раньше для контроля параметров среды стали применять свойства биметаллических пластин. Если патент Вестингауз Электрик был принят только 11 декабря 1923 года, то шведско-швейцарская компания ABB занималась выпуском тепловых реле для защиты работающих двигателей уже с 1920 года. Термостаты для инкубатора и печи под авторства Дреббеля были рассмотрены комиссией организованного в 1660 году Королевского общества (Англии). И примерно через 40 лет после своего создания нашли признание учёного сообщества.

Читайте также:  Соединитель проводов

Свойства биметаллических пластин известны с 1726 года. Точнее говоря, к этой дате приурочено первое их официальное применение. Джон Харрисон, плотник по профессии, кое-что знал о металлах. И нашёл оригинальный способ подарить маятниковым часам независимость от температуры. Подвес он изготовил из стержней двух разных металлов, что проиллюстрировано на изображении, взятом из издания Общества Ньюкомена (1946 год). По мере изменения температуры длина маятника остаётся постоянной. А значит, период колебаний поддерживается с высокой точностью.

Джон Харрисон не останавливается на достигнутом и в палубных часах конструкции 1761 года применяет балансную пружину из биметаллической ленты. По замыслу конструктора это должно скомпенсировать капризы климата. Теперь время позволит точно определить географические координаты вне зависимости от температуры. Идеи Дреббеля и Харрисона использовал в 1792 году Жан Симон Боннемейн, – его сегодня называют отцом централизованного снабжения горячей водой. Применял он идеи терморегуляторов и для курятников (1777 год). Историки отмечают любопытный факт: несмотря на свою знаменитость Жан остаётся личностью весьма загадочной. В частности, доподлинно неизвестен день его рождения.

Маятник и балансная пружина

Маятник и балансная пружина

Инкубатор Боннемейна напоминает печь-буржуйку. Снизу цилиндрическая конструкция подогревается открытым пламенем, продукты сгорания обтекают стенки и уходят наружу. Температура контролируется биметаллической пластиной (из железа и латуни), погруженной в воды, заполняющую пространство меж стенок. Нет ничего удивительного, что в скором времени инженер придумал первую котельную. Температура пламени регулируется скоростью подачи воздуха в топку, а биметаллический стержень управляет заслонкой. За этими последовали многие другие изобретения аналогичного толка.

В некоторой степени к тепловым реле можно отнести изобретение Джеймса Кьюли (увы, интернет ничего не расскажет о его жизни), датированное 1816 годом. В британском патенте №4086 упоминается некий балансный термометр. По сути это весы, вага который представляет собой трубку с двумя утолщениями на концах. Она поделена в центре на две секции, одна из которых заполнена спиртом, а другая – ртутью. При изменении температуры нарушается баланс, поскольку объёмы в утолщениях неравные. И нужно, подстраивая длины плеч винтом, добиться равновесия. Показания считываются с зубчатого лимба, жёстко привязанного к трубке. Изобретатель отмечал возможность использования этого изобретения для контроля микроклимата зданий.

Эра электричества в тепловых реле

Долгое время термостаты не находили себе применения в сфере электричества. Справедливости ради нужно заметить, что оно применялось преимущественно на фабриках и в цехах, питая двигатели. До появления электрических лампочек накала было ещё очень далеко. Устройством, давшим зелёный свет применению тепловых реле, историки считают электромагнитный клапан для регулирования тока жидкости в трубе. Эта наработка заявлена патентом US355893 A, опубликованным 11 января 1887 года. В документе прямо говорится, что термостат (тип не указан) должен быть размещён в жилых помещениях, а электромагнитный клапан позволяет регулировать под его командованием скорость тока горячей воды в системе отопления.

Читайте также:  Кнопочный пост

Ряд обстоятельств позволяет утверждать, что изобретение так или иначе касалось армии США и, по-видимому, должно было применяться в казармах. Что касается термостата, то подходящий уже существовал к тому времени (патент US150566 A). В опубликованном 5 мая 1874 года документе Джон Гест говорит о создании настраиваемого реле для управления электрической цепью. Внешний круглый корпус по кромке снабжён лимбом с нанесёнными значениями температуры, и устройство пригодно для выполнения самых разных функций. Суть заключается в том, что длинный полый стержень из цинка или другого материала изменяет свою длину в зависимости от температуры, управляя движением стрелки, в определённом положении замыкающей контакт.

Конструкция теплового реле

Конструкция теплового реле

Конструкция сама по себе напоминает велосипедный звонок, из которого торчит упомянутый стержень. Но такое реле контролирует только температуру помещения. Для отслеживания величины тока оно непригодно.  Исследователям осталось сделать всего один шаг: провести параллель между законом Джоуля-Ленца и изменениями температуры, чтобы превратить термостат в тепловое реле. Это, собственно, и было сделано в патенте US292586 A, опубликованном 29 января 1884 года. Наверняка в бюро с интересом смотрели на странного изобретателя, потому что по тем временам этому изделию тяжело было найти применение. В частности, сам Родс (разработчик) пишет, что конструкция помогает в организации освещения газовыми рожками (лампочки накала тогда ещё не существовали).

Тем не менее, в патенте заявлено, что авторским правом защищается реле на биметаллической пластине с нагревателем из резистора. А это и сегодня ещё повсеместно используется. Можно сказать, что Родс ткнул пальцем в небо, а попал на золотоносную жилу. Дальнейший ход инженерной мысли понятен и без дальнейших поисков в реестре патентов.

Характеристики тепловых реле

Характеристики теплового реле прямо указывают на то, в паре с каким оборудованием можно применить изделие. Среди самых важных параметров фигурируют:

  1. Номинальный ток – то значение, при котором в режиме длительной работы тепловое реле не срабатывает. Превышение лимита не вызывает немедленного отключения цепи. Например, ток, больший номинального на 20%, заставляет реле сработать примерно через 20-30 минут. В этом прибор напоминает автоматический выключатель. Да и принцип действия в точности тот же самый.
  2. Номинальное напряжение – обычно в быту это 220 В и 50 Гц при одной фазе переменного тока. Для промышленных объектов возможны самые разные варианты.
  3. Условия эксплуатации:
  • Климат. Прежде всего это температура и влажность. Категория размещения отечественных реле выбирается по ГОСТ 15150.
  • Прочие факторы. Сюда относят вибрации, ускорения, удары, высота над уровнем моря. Дополнительно может оговариваться присутствие взрывоопасных газов и иных веществ природного и антропогенного происхождения.
Маркировка от КЭАЗ

Маркировка от КЭАЗ

Реле выбирается, исходя из мощности защищаемого им электродвигателя. Большинство ключевых характеристик заключено в условном обозначении. На рисунке приведена маркировка из рекламных материалов завода КЭАЗ (основан в 1945 году). Особое внимание следует обратить на следующие моменты:

  1. Диапазон токов уставки (в скобках) разнится по производителям на малое значение. Скорее всего, это простая небрежность инженеров-конструкторов.
  2. Литеры в обозначении типа исполнения могут отличаться и лучше всего уточнять их по каталогам.
  3. Климатическое исполнение часто даётся в виде диапазона. Например, УХЛ2О4. Что следует читать как: от УХЛ2 до О4. После этой аббревиатуры может следовать малая литера, характеризующая группу пониженного давления.

Те или иные обозначения могут отсутствовать вовсе. Также возможно наличие не оговорённых выше включений. Например, РТЛ 205704 Д. Что именно означает здесь 04, сказать сложно, разумно было бы уточнить этот момент на предприятии-изготовителе.