Содержание
Биметаллическая пластина — это пластина, специально изготовленная из пары различных металлов или из биметалла. Такие пластины традиционно используют в термомеханических датчиках.
Биметалл или соединенные механически два куска различных, с разной степенью теплового расширения, металлов, обладают довольно интересной особенностью, которая состоит в следующем.
Если пару одинаковых пластин, то есть изготовленных из одинакового металла, и имеющих одинаковые размеры, подвергнуть нагреву, то они удлинятся в одинаковой степени. Но если пластины будут изготовлены из разных металлов (скажем, одна из меди, а вторая — из железа), то при их совместном нагреве, из-за различного теплового расширения, пластины удлинятся по-разному.
Сваренные, спаянные или склепанные две пластины образуют единую биметаллическую пластину. Один конец такой пластины, обычно, закрепляют статично в неподвижном держателе внутри устройства, а второй свободен перемещаться в сooтветствии с текущей температурой пластины в целом.
Такие пластины для различных назначений изготавливают обычно из латуни и инвара (инвар — это сплав никеля и железа). В результате нагрева, пластина изогнется в сторону металла с меньшим тепловым расширением, и свободный конец пластины в результате деформации переместится. Пластины работоспособны в весьма широком температурном диапазоне.
Использование биметаллических пластин в электротехнике
В защитных устройствах и термостатах биметаллические пластины управляют состоянием электрических контактов. Пластина размыкает или замыкает цепь нагревательного элемента, отключает питание бойлера и т. п.
В простейших конструкциях контакты сводятся и разводятся медленно, в более прихотливых — на несколько миллиметров резким скачком (характерные щелчки можно слышать от утюга во время глажки или от домашнего обогревателя, отрегулированного на определенную температуру).
В электрическом чайнике контакты биметаллической пластины защищают его от перегрева, а в автоматическом выключателе — проводку от превышения допустимой величины тока.
Так называемые тепловые реле или автоматические выключатели, требующие повторного взвода вручную после устранения персоналом неполадки — и тут и там биметаллическая пластина.
В стартерах люминесцентных ламп и в схемах управления электродвигателями биметаллические пластины служат для переключения режима работы устройства после его включения. Когда устройство запущено в работу, пластина начинает и продолжает разогреваться.
Биметаллические пластины в этом случае оснащаются специальным подогревателем и контактом, имеется подогревающая обмотка из провода высокого сопротивления, либо разогревается непосредственно пластина от пропускаемого по ней тока. Так работают некоторые защитные реле и генераторы импульсов переключения. Если в процессе работы мотор перегреется, то реле сработает и отключит мотор от сети.
В измерительных приборах, по сути – в термометрах с биметаллической пластиной с подогревателем, также используется данный эффект. Для получения вольтметра или амперметра пластину включают по-разному.
Такой прибор энергетически, конечно, прожорлив, однако в нем отсутствуют механически трущиеся части, он отличается вибростойкостью, устойчив к загрязнениям и сам восстанавливается при отсыревании.
Измерительные приборы данного типа, на биметаллических пластинах, по сей день успешно применяются в автоэлектронике.
Сложные системы автоматики, выполняющие роль переключения режимов работы тех или иных устройств, построены на простейших элементах. Они имеют свойство изменять какой-либо из своих параметров (форму, объем, электропроводность и др.) под воздействием одного или нескольких факторов.
Так, все современные нагревательные элементы снабжены терморегуляторами, контролирующими степень нагрева поверхности. Основой любого термостата является биметаллическая пластина.
Что такое пластина биметаллическая
Элемент, обладающий свойством деформироваться (изгибаться) в одном направлении под воздействием повышенной температуры, получил название биметаллическая пластина. По названию можно догадаться, что в составе пластины имеются два металла. Каждый из них имеет свою величину коэффициента температурного расширения. В результате при нагреве такой пластины один компонент ее расширяется на определенную величину, а второй на другую.
Это приводит к изгибу, форма которого зависит от разности температурных коэффициентов. Скорость деформации прямо пропорциональна изменению температуры. При охлаждении пластины она приобретает исходное положение. Пластина является монолитным соединением и может работать сколь угодно долго.
Какие компоненты применяют в биметаллах
Для того чтобы соединить металлы между собой в единый биметалл, применяют способы пайки, сварки и заклепки.
Примером распространенной биметаллической пластины служит соединение латуни и стали. Такой композит имеет высокую термочувствительность.
Существуют аналоги биметалла из неметаллических материалов (стекло, керамика). Они призваны работать в агрессивных химических средах, где не может быть использован металл.
Как работает биметаллическая пластина
Пластина из биметалла работает в составе различных систем терморегулирования и термоконтроля, а точнее в термореле многих модификаций. В простейшее термореле входит:
- Термостойкий корпус. В нем размещены все элементы реле.
- Клеммы – служат для подключения электрической цепи.
- Механические переключатели контактов или контактных групп. Замыкают и размыкают электрические контакты, включая или отключая цепь.
- Диэлектрический шток либо прокладка. Передает механическое воздействие от пластины к переключателю.
- Биметаллическая пластина. Является элементом реагирования на изменение температуры и создает давление на шток.
- Датчик температуры. Обыкновенная металлическая пластина, непосредственно соединенная с элементом контроля. Она обладает хорошей теплопроводностью и передает тепло на биметалл.
Когда поверхность нагревателя имеет допустимую температуру, биметаллическая пластина находится в определенном изогнутом (ровном) состоянии, электрические контакты при этом замкнуты, в цепи нагревателя течет ток.
При повышении температуры поверхности биметалл начинает греться и постепенно деформируется, оказывая давление на шток. При этом наступает момент, когда шток размыкает контакт механического переключателя, и прерывается ток в цепи нагревателя. Далее он остывает, охлаждается пластина, цепь замыкается, и все повторяется снова.
Часто реле выпускают с возможностью регулирования срабатывания по величине температуры.
Биметаллическая пластина котла
Системы отопления на природном газе являются устройствами повышенной опасности, поэтому включают в себя различные датчики контроля состояния. Так, основной элемент безопасности – это датчик тяги. Он определяет правильное направление выхода продуктов сгорания, то есть от камеры сгорания в сторону дымохода. Это предотвращает попадание угарного газа в помещение и отравление людей.
Основным компонентом датчика тяги является биметаллическая пластина для газового котла. Принцип работы ее аналогичен любому биметаллу, а размеры и параметры материала рассчитаны таким образом, что превышение температуры 75 градусов в канале приводит к деформации пластины и срабатыванию газового клапана.
В каких устройствах используют биметалл
Область применения биметаллической пластины необычайно широка. Практически все устройства, где необходим контроль за температурой, оснащены термостатами на основе биметалла. Это объясняется конструктивной простотой и надежностью таких релейных систем. В привычной нам технике термостаты стоят:
- В бытовых нагревательных приборах: печи, гладильные системы, бойлеры, электрочайники, и др.
- Системы отопления: электрические конвекторы, газовые и твердотопливные котлы с электроникой.
- В электропакетниках автоматического выключения.
- В электронике в измерительных приборах, а также в генераторах импульсов и временных реле.
- В двигателях теплового типа.
В промышленной технике биметаллические пластины устанавливают в тепловых реле, призванных защищать мощные электрические приборы от температурных перегрузок: трансформаторы, электродвигатели, насосы и т.д.
Когда меняют пластину
Все биметаллические пластины имеют длительный срок службы, но иногда ее замена неизбежна. Необходимость наступает тогда, когда:
- Биметалл потерял свои свойства или произошло их изменение, что не соответствует режиму работы устройства.
- Пластина выгорела (относится к тепловым реле).
- При нарушении фиксирующего болта либо выходе из строя горелки запальника (в газовых котлах).
- Когда замена пластины предполагается плановыми мероприятиями технического обслуживания.
В бытовой технике ее обычно не меняют. Если выходит из строя система терморегуляции, то замена биметаллической пластины происходит целым блоком, которые идут как запчасти к конкретной модели устройства. Но часто причиной выхода из строя термостата служит подгорание размыкающих контактов, а не биметаллическая пластина.
Для защиты бытовых электрических цепей обычно используются автоматические выключатели модульной конструкции. Компактность, легкость монтажа и замены, в случае необходимости, объясняет их широкое распространение.
Внешне такой автомат представляет собой корпус из термостойкой пластмассы. На лицевой поверхности расположена рукоятка включения и выключения, сзади – фиксатор-защелка для крепления на DIN-рейке, а сверху и снизу – винтовые клеммы. В данной статье рассмотрим принцип работы автоматического выключателя.
Как работает автоматический выключатель?
В режиме штатной работы через автомат протекает ток, меньший или равный номинальному значению. Питающее напряжение от внешней сети подается на верхнюю клемму, соединенную с неподвижным контактом. С неподвижного контакта ток поступает на замкнутый с ним подвижный контакт, а от него, через гибкий медный проводник – на катушку соленоида. После соленоида ток подается на тепловой расцепитель и уже после него – на нижнюю клемму, с подключенной к ней сетью нагрузки.
В аварийных режимах автоматический выключатель отключает защищаемую цепь за счет срабатывания механизма свободного расцепления, приводимого в действие тепловым или электромагнитным расцепителем. Причиной такого срабатывания является перегрузка или короткое замыкание.
Тепловой расцепитель – это биметаллическая пластина, состоящая из двух слоев сплавов с различными коэффициентами термического расширения. При прохождении электрического тока пластина нагревается и изгибается в сторону слоя с меньшим коэффициентом термического расширения. При превышении заданного значения силы тока, изгиб пластины достигает величины, достаточной для приведения в действие механизма расцепления, и цепь размыкается, отсекая защищаемую нагрузку.
Электромагнитный расцепитель состоит из соленоида с подвижным стальным сердечником, удерживаемым пружиной. При превышении заданного значения тока, по закону электромагнитной индукции в катушке наводится электромагнитное поле, под действием которого сердечник втягивается внутрь катушки соленоида, преодолевая сопротивление пружины, и вызывает срабатывание механизма расцепления. В нормальном режиме работы в катушке также наводится магнитное поле, но его силы недостаточно, чтобы преодолеть сопротивление пружины и втянуть сердечник.
Как работает автомат в режиме перегрузки
Режим перегрузки возникает, когда ток в подключенной к автомату цепи превышает номинальное значение, на которое рассчитан автоматический выключатель. При этом повышенный ток, проходящий через тепловой расцепитель, вызывает повышение температуры биметаллической пластины и, соответственно, увеличение ее изгиба вплоть до срабатывания механизма расцепления. Автомат отключается и размыкает цепь.
Срабатывание тепловой защиты не происходит мгновенно, поскольку на разогрев биметаллической пластины потребуется некоторое время. Это время может варьироваться в зависимости от величины превышения номинального значения тока от нескольких секунд до часа.
Такая задержка позволяет избежать отключения питания при случайных и непродолжительных повышениях тока в цепи (например, при включении электродвигателей которые имеют большие пусковые токи).
Минимальное значение тока, при котором должен сработать тепловой расцепитель, устанавливается при помощи регулировочного винта на заводе-изготовителе. Обычно это значение в 1,13-1,45 раз превышает номинал, указанный на маркировке автомата.
На величину тока, при котором сработает тепловая защита, влияет и температура окружающей среды. В жарком помещении биметаллическая пластина прогреется и изогнется до срабатывания при меньшем токе. А в помещениях с низкими температурами ток, при котором сработает тепловой расцепитель, может оказаться выше допустимого.
Причиной перегрузки сети является подключение к ней потребителей, суммарная мощность которых превышает расчетную мощность защищаемой сети. Одновременное включение различных видов мощной бытовой техники (кондиционер, электрическая плита, стиральная и посудомоечная машина, утюг, электрочайник и т.д.) – вполне может привести к срабатыванию теплового расцепителя.
В этом случае определитесь, какие из потребителей можно отключить. И не спешите снова включать автомат. Вы все равно не сможете взвести его в рабочее положение, пока он не остынет, а биметаллическая пластина расцепителя не вернется в свое исходное состояние. Теперь вы знаете как работает автоматический выключатель при перегрузках
Как работает автомат в режиме короткого замыкания
В случае короткого замыкания принцип работы автоматического выключателя иной. При коротком замыкании ток в цепи резко и многократно возрастает до значений, способных расплавить проводку, а точнее изоляцию электропроводки. Для того чтобы предотвратить такое развитие событий необходимо мгновенно разорвать цепь. Электромагнитный расцепитель именно так и срабатывает.
Электромагнитный расцепитель представляет собой катушку соленоида, внутри которой расположен стальной сердечник, удерживаемый в фиксированном положении пружиной.
Многократное возрастание тока в обмотке соленоида, происходящее при коротком замыкании в цепи, приводит к пропорциональному возрастанию магнитного потока, под действием которого сердечник втягивается в катушку соленоида, преодолевая сопротивление пружины, и нажимает на спусковую планку механизма расцепления. Силовые контакты автомата размыкаются, прерывая питание аварийного участка цепи.
Таким образом, срабатывание электромагнитного расцепителя защищает от возгорания и разрушения электропроводку, замкнувший электроприбор и сам автомат. Время его срабатывания составляет порядка 0,02 секунды, и электропроводка не успевает разогреться до опасных температур.
В момент размыкания силовых контактов автомата, когда по ним проходит большой ток, между ними возникает электрическая дуга, температура которой может достигать 3000 градусов.
Чтобы защитить контакты и другие детали автомата от разрушительного воздействия этой дуги, в конструкции автомата предусмотрена дугогасительная камера. Дугогасительная камера представляет собой решетку из набора металлических пластин, которые изолированы друг от друга.
Дуга возникает в месте размыкания контакта, а затем один ее конец движется вместе с подвижным контактом, а второй скользит сначала по неподвижному контакту, а потом по соединенному с ним проводнику, ведущему к задней стенке дугогасительной камеры.
Там она делится (дробится) на пластинах дугогасительной камеры, слабеет и гаснет. В нижней части автомата предусмотрены специальные отверстия для отвода газов, образующихся при горении дуги.
В случае отключения автомата при срабатывании электромагнитного расцепителя, вы не сможете пользоваться электричеством до тех пор пока не найдете и не устраните причину короткого замыкания. Вероятнее всего причина в неисправности одного из потребителей.
Отключите все потребители и попробуйте включить автомат. Если вам это удалось и автомат не выбивает, значит, действительно – виноват один из потребителей и вам осталось выяснить какой именно. Если же автомат и с отключенными потребителями снова выбивает, значит все гораздо сложнее, и мы имеем дело с пробоем изоляции проводки. Придется искать, где это произошло.
Вот таков принцип работы автоматического выключателя в условиях различных аварийных ситуаций.
Если отключение автоматического выключателя стало для вас постоянной проблемой, не пытайтесь решить ее установкой автомата с большим номинальным током.
Автоматы устанавливаются с учетом сечения вашей проводки, и, значит, больший ток в вашей сети просто не допускается. Найти решение проблемы можно только после полного обследования системы электроснабжения вашего жилища профессионалами.
