Relee termobimetalice

Relee termobimetalice

Releele sunt aparate de protectie, care actionand asupra unui aparat de co­mu­tatie, produc intreruperea alimentarii unui consumator, la o anumita tem­pe­ra­ru­ra a elementului sensibil al releului. Elementul sensibil sau senzorul este o la­me­la din bimetal.

Releele termobimetalice sunt relee de curent si se utilizeaza mai ales pen­tru protectia masinilor electrice, impotriva incalzirilor excesive ca urmare a func­tionarii masinilor la suprasarcini de lunga durata.Curentul de suprasarcina al mo­torului, incalzeste mecanismul bimetalic al releului si cand temperatura atin­ge valoarea maxima admisa, releul termobimetalic trebuie sa actioneze asupra unor contacte care provoaca deconectarea motorului de la retea.

Releele termobimetalice nu asigura protectia impotriva curentilor de scurt­cir­cuit, deoarece rezistenta de incalzire a acestor relee se poate arde inainte ce aceste relee sa actioneze. De aceea la protectia motoarelor electrice aceste re­lee termobimetalice se asociaza cu relee electromagnetice cu actiune instantanee sau sigurante fuzibile cu rol de protectie impotriva curentilor de scurtcircuit.

1. Principiul de functionare al releelor termobimetalice

Lamela bimetalica este formata din doua straturi de metal intim unita pe toa­ta suprafata de contact, prin sudura sau lipire. Cele doua metale au coeficienti de dilatare diferiti. Cum la incalzire una din componente se dilata mai puternic ca cealalta, termobimetalulse inconvoaie la incalzire si anume cu atat mai mult, cu cat mai mare este diferenta dintre coeficientii de dilatare ai ambelor com­po­nen­te. Componenta cu coeficient de dilatare mai mic constituie componenta pa­si­va, iar cea cu coeficient de dilatare mai mare reprezinta componenta activa. Ali­ajele din fier-nichel, cu proprietatile lor specifice, stau la baza realizarii ter­mo­bimetalelor. Invarul (aliaj Fe-Ni cu 36% Ni), avand coeficientul de dilatare minim se foloseste in calitate de componenta pasiva, iar aliajele cuprului cu zinc, staniu sau nichel, care au coeficienti de dilatare mari se folosesc drept componente active.

Prin urmare, lamela bimetalica are proprietatea de a-si schimba forma in mod automat, functie de valoarea temperaturii materialului lamelei; parametrul de intrare este temperatura si parametrul de iesire curbarea lamelei. Fata de alte dispozitive bazate pe dilatare, bimetalul are avantajul ca sageata care se obtine la capatul liber al lamelei este cu mult mai mare decat cea obtinuta prin simpla dilatare termica. In esenta la nivelul bimetalului se obtine cea mai simpla transformare de energie termica in energie mecanica, cu multiple aplicatii in tehnica.

2. Caracteristica de protectie a releului termobimetalic

Aceasta caracteristica exprima dependenta dintre timpul de actionare al releului si valoarea curentului care parcurge bimetalul. Este o caracteristica de protectie dependenta, constatandu-se ca o data cu cresterea curentului ce parcurge bimetalul timpul de actionare al releului scade. In figura 3.16 s-a reprezentat prin curba 2 caracteristica de protectie a bimetalului in stare rece, prin curba 3 caracteristica de protectie a bimetalului preincalzit si prin curba 1 carac­teristica tehnica a obiectului de protejat (reprezentarea timpului este facuta la scara logaritmica).

O protectie buna se realizeaza atunci cand carecteristicile 2 si 3 se afla sub carac­teristica 1, pentru toata gama curentilor posibili. Datorita alurii dependente a caracteristicii de protectie, releele termobimetalice sunt indicate pentru protectia motoarelor electrice. Aceasta deoarece supracurentii de scurta durata, de exemplu la pornirea motoarelor, nu sunt suficienti ca prin incalzirea termobimetalului sa produca declansarea motorului de la retea. In schimb, la supracurenti de durata, (de exemplu la ramanerea in doua faze) se obtine o declansare dupa un anumit timp, functie de valoarea curentului.

Figura 3.16. Caracteristicile temporale de protectie a unui releu termobimetalic.

Caracteristica de protectie poate fi obtinuta prin calcul, sau se poate deter­mi­na experimental pentru releele construite.

Figura 3.17. Modul de reprezentare in schemele electrice

Din punct de vedere al reprezentarii releelor termobimetalice in schemele elec­trice, se pot folosi modalitatile prezentate in figura 3.17. In toate cazurile se constata existenta a doua circuite: unul parcurs de curentul de protejat (contactele 1-2) si un contact aflat in alt circuit (de exemplu in circuitul bobinei de comanda a contactorului), ce poate fi normal inchis (contactul 11-13) sau normal deschis (contactul 12-14).

3. Variante constructive de relee termobimetalice

Termobimetalele, au proprietatea transformarii unei variatii de tempe­ra­tu­ra intr-o miscare datorita deformarii. La realizarea releelor termobimetalice se fo­lo­seste atat aceasta propietate cat si proprietatea de elasticitate a termo­bi­me­ta­le­lor.

Prin aplicarea unei forte de sens contrar deformarii se pot obtine tensiuni interne, proportionale cu variatiile de temperatura.

Din punct de vedere tehnic se pot utiliza urmatoarele functii ale termo­bi­me­talelor: efectul de deformare (curbare); efectul de forta datorita tensiunilor in­ter­ne; efectul combinat de deformare si forta; efectul de temporizare la trans­mi­te­rea unei comenzi; efectul de compensare a temperaturii mediului ambiant. Aceste efecte pot fi realizate cu termobimetale de cele mai diferite forme ca: benzi drepte sau usor indoite care se curbeaza, piese in forma de U, spirale care se infasoara sau se desfasoara, discuri discuri a caror curbura variaza.

Dupa modul de incalzire al elementului sensibil bimetalic se deosebesc mecanisme bimetalice cu incalzire directa, indirecta sau combinata (mixta). La incalzirea directa, lamela se incalzeste prin efect electrocaloric datorita trecerii curentului electric prin insasi lamela bimetalica.

Cum efectul de deformare al termobimetalelor incastrate la un capat este cel mai frecvent folosit, se prezinta in figura 3.18. doua solutii constructive pentru releele cu incalzire directa.

Astfel in figura 3.18 a) se prezinta un releu termobimetalic dintr-o banda de bimetal fara pretensionare si in figura 3.18.b) cu pretensionare.

Aceste relee sunt capabile sa deschida un contact al unui circuit electric daca temperatura depaseste o anumita valoare limita.

Utilizarea concomitenta sau succesiva a efectului de deformare si a efectului de forta este exemplificata in constructia din figura 3.19. Aici lamela bimetalica incastrata se deplaseaza intai liber, proportional cu temperatura, apoi actioneaza cu o forta provocand deschiderea unui contact din circuitul electric al bobinei contactorului.

Figura 3.18. Relee termobimetalice cu incalzire directa, utilizand efectul de deformare.

a)releu bimetalic din banda bimetalica fara pretensionare. b) releu bimetalic din banda bimetalica cu pretensionare.

Figura 3.19. Releu termobimetalic cu incalzire directa utilizand efectul de deformare si forta.

Exista variante constructive de relee termobimetalice in careelementul bimetalic incastrat are forma literei U, ca in figura 3.20.

a) b)

Figura 3.20. Tipuri constructive de relee termobimetalice.

a) Releu termobimetalic in forma de U. b)Incalzirea indirecta a releelor termobimetalice   

In cazul folosirii incalzirii indirecte bimetalul este incalzit prin inter­me­diul unui rezistor de incalzire cu firul bobinat pe lamela sau sub forma unei pla­cu­te de mare rezistivitate.

In cazul incalzirii combinate (mixte), lamela este incalzita pe cale directa si indirecta prin rezistor, curentul parcurgand lamela termobimetalica si rezis­to­rul legate in serie ca in figura 3.21. Cand curentul din circuitul de sarcina este prea mare, bimetalul se leaga in circuit prin intermediul unui transformator de curent.

Figura 3.21 Releu termobimetalic cu incalzire combinata

Pentru a obtine o temporizare a unei actionari se poate folosi efectul de deformare al bimetalului, obtinandu-se temporizari de la cateva secunde la cateva minute.

Pentru protectia motoarelor asincrone trifazate, releele termobimetalice sunt grupate in blocuri de relee.

Figura 3.22. Bloc de relee termobimetalice

Elementul motor al acestor relee sunt lamelele termobimetalice 1, cu efect de deformare si forta. Conform figurii 3.22. aceste blocuri cuprind si un me­ca­nism format din parghia 2, bimetalul de compensare 3, piesa 4 care impinge lamela elastica 5 si care basculeaza contactul mobil din pozitia B in pozitia C. Contactul mobil se afla conectat la borna A. Cele trei termobimetale sunt legate prin bornele R, S, T, la reteaua trifazata si prin U, V, W, sunt inseriate cu infasurarile motorului trifazat, fiind parcurse de curentul de protejat.

Lamelele termobimetalice de pe orice faza se curbeaza in caz de supra­sar­ci­na deplasand parghia 2 in sensul sagetii. Reglarea curentului de actio­na­re se face cu surubul 6, care poate fi rotit in fata unei scale gradate.

La depasirea curentului de reglaj, dupa un timp ce depinde de valoarea su­pra­curentului, piesa 4 prin impingerea resortului saritor (lamela elastica 5), pro­du­ce intreruperea contactului normal inchis A-B inseriat cu bobina con­tac­to­ru­lui, respectiv inchide contactul normal deschis A-C ce poate fi introdus intr-o sche­ma de semnalizare. In cazul supracurentilor de scurta durata (pornirea mo­to­ru­lui) sau a functionarii indelungate la curentul nominal, lamelele de bimetal se in­co­voaie dar nu suficient pentru a actiona contactul.

Pentru a face blocul de relee termobimetalice insensibil la modificarile tem­peraturii ambiante, acesta se echipeaza cu dispozitive de compensare ter­mi­ca, prin utilizarea unui bimetal de compensare.

Figura 3.23.Dispozitivul de compensare termica a blocului de relee termobimetalice.

Conform figurii 3.23. la cresterea temperaturii mediului ambiant, bime­ta­lul de compensare 3, care este un bimetal pasiv (neparcurs de curent), depla­sea­za spre stanga parghia 2 cu o distanta Δ_s si deoarece si bimetalele principale 1 se incovoaie cu Δ_s in acelasi sens, cursa ce urmeaza a o strabate bimetalele prin­ci­pa­le in cazul unui curent de suprasarcina, s, ramane constanta. Mentionam ca dupa actionarea blocului de relee de protectie, oprirea motorului si racirea lamelelor bimetalice, releul trebuie rearmat prin intermediul butonului 7 din fi­gu­ra 3.22., care readuce contactul mobil in pozitia initiala. Se remarca ca se rea­li­zeaza si blocuri de relee cu posibilitatea de rearmare automata a contactului mobil dupa actionare.

Reprezentarea in schemele electrice a blocului de relee termobimetalice este aratata in figura 3.24.

Bornele 1, 3, 5, se leaga la iesirea din contactele principale ale con­tac­to­ru­lui; bornele 2, 4, 6, se leaga la intrarea in motor; iar contactul 11-13 normal inchis se inseriaza cu circuitul de comanda al contactorului. Astfel daca curentul din circuitul de protejat depaseste valoarea reglata, se deschide contactul 11-13 intrerupandu-se alimentarea bobinei contactorului si astfel se declanseaza motorul de la retea.

Figura 3.24. Reprezentarea blocului de relee termobimetalice in schemele electrice

4. Calculul lamelei termobimetalice

Pentru a putea proiecta o lamela termobimetalica din componenta unui re­leu sau bloc de relee, ca si pentru reglarea acestor relee, trebuie sa putem calcula sa­geata la capatul liber a unei lamele incastrate la un capat. Daca o asemenea la­me­la termobimetalica este parcursa de curent ea e curbeaza, determinand la ca­pa­tul liber sageata f, asa cum rezulta din figura 3.25.

La o variatie de temperatura cu:

Δθ=θ-θ₀ (3.5.)

raza de curbura a lamelei termobimetalice variaza conform relatiei:

(3.6.)

unde s-a notat cu:

r_θ - raza de curbura la temperatura θ;

r₀ - raza de curbura la temperatura θ₀;

m = δ₁/δ₂ este raportul grosimilor componentelor lamelei;

n = E₁/E₂ este raportul modulelor de elasticitate al componentelor;

sunt coeficientii de dilatare liniara a componentei active, respectiv a celei pasive.

Figura 3.25.Calculul sagetii lamelei termobimetalice

La grosime egala a celor doua componente, ca in figura 3.25. avem

Considerand ca si E₁=E₂, cu m=1 si n=1, relatia (3.6.) devine:

(3.7.)

Expresia:

(3.8.)

poarta denumirea de coeficientul lui Villarceau si are semnificatia curbarii liniei mijlocii, in directia lungimii, a unei benzi de termobimetal la o variatie de tem­pe­ratura cu un grad si o grosime unitara a benzii bimetalice. Daca banda a fost initial plana (r₀=), din relatiile (3.7.) si (3.8.) rezulta:

(3.9.)

In calculele practice se foloseste o constanta α=V/2, denumita curbura specifica si care constituie o constanta de material:

(3.10.)

Deoarece raza de curbura r_θ este o marime de determinat din masuratori si deoa­rece ne intereseaza determinarea sagetii la capatul liber f, din triunghiul dreptunghic OAB se poate scrie:

OB²=OA²+AB² (3.11.)

unde

OB= (3.12.)

OA= (3.13)

deoarece: ABL

Avem:

_(3.14.)

(3.15.)

_(3.16)

_(3.17)

de unde:

(3.18.)

si care inlocuita in (3.10.) determina:

(3.19.)

Deoarece sageata f<<L si produsul fδ poate fi neglijat in raport cu L², din relatia (3.19.) se obtine valoarea sagetii sub forma:

(3.20.)

In aceasta relatie valoarea curburii specifice α, data in manuale, este cu­prin­sa intre 3 10^-623 10^-6[1/grad], iar variatia de temperatura se poate de­ter­mi­na din ecuatia bilantului termic sub forma:

(3.21.)

(3.22.)

_(3.23.)

Rezulta ca relatia (3.20.) ne determina univoc sageata la capatul liber al unei lamele termobimetalice incastrate la un capat, de rezistenta R, de dimen­si­uni L si δ, executata dintr-un material avand curbura specifica a, in cazul par­cur­ge­rii ei de un curent I.

In mod similar, pentru alte forme ale lamelei termobimetalice, sageata la ca­pa­tul liber se poate calcula cu una din relatiile prezentate in tabelul 2.1.

Tabelul 3.2. Calculul sagetii lamelei termobimetalice pentru diverse variante constructive

Blocurile de relee termobimetalice sunt des folosite la protectia de supra­sar­cina a motoarelor electrice.

La noi in tara se fabrica gama de relee termice TSA 10-100 A care sunt des­ti­nate protectiei motoarelor la suprasarcina.

Seria completa cuprinde relee avand curenti de serviciu de la 0,4 la 100 A, caracterizate prin:

- protectia antibifazica pentru releele TSA 16, TSA 23, TSA 63 si TSA 100

- compensarea temperaturii mediului ambiant pentru releele TSA 63, TSA 100 (intre limitele 0 . -50 C).

- posibilitate de trecere, dupa preferinta, pe pozitia "rearmare manuala" sau "rearmare automata"

- posibilitate de utilizare la motoarele cu pornire grea.

Elementele componente ale unui releu termobimetalic:

- carcasa si capacul, din materiale izolante, cu rezistenta termica ridicata; relee pe baza de bimetal; cursorul, avand o constructie articulata, constituie dispozitivul de protectie antibifazica; contact saritor; buton de rearmare; buton de reglaj.

Caracteristici tehnice:

- Tensiune nominala: 660 V c.a.

- Numar de poli: 3

- Frecventa de conectare: 15 conectari pe ora

- Domeniul de reglaj al releelor: (0,67-1) Is

- Gradul de protectie: IP 000

- Contacte auxiliare:

- Tensiunea nominala: 500 V c.a.; 220 V c.c.

- Curentul nominal termic: 6 A, 10 A, 16 A, 63 A, 100 A,

Tabelul 3.3. Caracteristicile tehnice ale releelor termice din gama TSA.

Valorile caracteristice ale curentilor la un bloc de relee termobimetalice sunt:

- curentul nominal I_n, este curentul maxim care circula in regim de durata prin aparat si pe baza caruia se dimensioneaza caile de curent;

- curentul de serviciu I_s, corespunde valorii maxime a curentului reglat pentru care aparatul nu actioneaza:

- curentul reglat I_reg, poate fi orice curent cuprins in scara de reglaj a apa­ra­tului, I_reg = (0,61)I_s, domeniu in care utilizatorul trebuie sa-si incadreze curentul nominal al consumatorului.

Pentru a se produce actionarea, releul termobimetalic trebuie sa fie parcurs de un curent mai mare decat cel reglat, numit curent de suprasarcina.

Conform normativelor nationale, relee termice romanesti de tip TSA trebu­ie sa respecte conditiile prezentate in tabelul 3.4.

Tabelul 3.4. Normative referitoare la releele termice din gama TSA.

Prin stare rece se intelege acea stare la care temperatura releelor este egala cu temperatura ambianta: 205^o C. Prin stare calda se intelege starea in care temperatura releelor este egala cu temperatura de durata corespunzatoare curentului reglat.

In functie de temperatura la care lucreaza un releu sunt necesare corectii ale curentilor de serviviu.