Термобиметаллы: принцип работы и применение в защитной автоматике

В мире современной промышленности и бытовых устройств обеспечение безопасности и надежности работы оборудования является приоритетной задачей. Одним из проверенных временем решений для защиты от перегрева и других аварийных ситуаций является использование термобиметаллов. Эти простые, но эффективные устройства, основанные на разнице расширения металлов, продолжают играть важную роль в различных областях, от защиты двигателей до пожарной сигнализации.

Что такое термобиметаллы?

Термобиметалл – это композитный материал, состоящий из двух или более металлических слоёв с различными значениями температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР), прочно соединённых между собой (обычно методом сварки). Это различие в ТКЛР приводит к тому, что при изменении температуры происходит деформация биметаллической пластины или диска, что используется для управления электрическими цепями или механическими устройствами. Простыми словами, один металл расширяется больше, чем другой, вызывая изгиб всей конструкции.

Физические основы: почему изгибается пластина?

Принцип работы термобиметалла базируется на фундаментальном физическом явлении – тепловом расширении. Каждый металл имеет свой уникальный ТКЛР, который определяет, насколько сильно он изменяет свои размеры при изменении температуры. Когда биметаллическая пластина нагревается, металл с более высоким ТКЛР расширяется больше, чем металл с более низким ТКЛР. Поскольку слои жёстко соединены, это различие в расширении приводит к возникновению внутренних напряжений и, как следствие, к изгибу пластины в сторону металла с меньшим расширением. Степень изгиба прямо пропорциональна изменению температуры.

Ключевые свойства: ТКЛР, гистерезис, инерционность

Для эффективного применения термобиметаллов необходимо учитывать ряд их ключевых свойств:

ТКЛР: Это основной параметр, определяющий чувствительность термобиметалла к изменению температуры. Чем больше разница в ТКЛР между слоями, тем больше будет изгиб при заданной температуре.
Гистерезис: Это разница между температурой включения и выключения устройства. Небольшой гистерезис обеспечивает более точное регулирование, но может приводить к частому переключению (дребезгу) контактов.
Инерционность: Тепловая инерция связана с временем, необходимым для нагрева или охлаждения биметаллической пластины. Большая инерционность может замедлить срабатывание устройства, что критично в некоторых приложениях.
Температура срабатывания: Температура, при которой происходит переключение контактов реле или срабатывание механического устройства.

Конструкция и виды термобиметаллических элементов

Конструкция термобиметаллов может варьироваться в зависимости от конкретного применения, но основные принципы остаются неизменными.

Слоистая структура (активный/пассивный слои)

Типичный термобиметалл состоит из двух слоёв:

Активный слой: Изготавливается из металла с высоким ТКЛР. Именно этот слой обеспечивает основную деформацию при нагреве. Часто используются сплавы на основе никеля и железа (например, инвар).
Пассивный слой: Изготавливается из металла с низким ТКЛР. Этот слой ограничивает расширение активного слоя и определяет направление изгиба. Обычно используются сплавы на основе железа или молибдена.

Выбор прецизионного сплава для каждого слоя зависит от требуемого диапазона рабочих температур, необходимой чувствительности и других специфических требований применения.

Формы: пластины, диски, хлопающие элементы

Термобиметаллические элементы могут иметь различные формы:

Пластины: Наиболее распространённая форма, используемая в тепловых реле и других защитных устройствах.
Диски: Часто используются в термовыключателях для защиты от перегрева в электроприборах. Существуют биметаллические диски с точечной фиксацией, имеющие выпуклую форму. При достижении пороговой температуры происходит резкий скачкообразный фазовый переход диска из выпуклого состояния в вогнутое.
Хлопающие элементы: Используют эффект резкого переключения для обеспечения быстрого и надежного размыкания цепи.

Принцип работы в защитных устройствах

Термобиметаллы широко используются в различных устройствах защитной автоматики благодаря своей простоте, надежности и относительно низкой стоимости.

Тепловые реле для электродвигателей

В тепловых реле, предназначенных для защиты двигателя, биметаллическая пластина нагревается либо непосредственно протекающим через неё током, либо косвенно – от нагревательного элемента, расположенного рядом. При превышении допустимого значения тока нагрев пластины приводит к её изгибу, который воздействует на механизм расцепления контактов, отключая двигатель от сети. Такие реле обеспечивают эффективную защиту двигателя от перегрузок и заклинивания ротора.

Термовыключатели в пожарной сигнализации и бытовой технике

В системах пожарной сигнализации и электроприборах термовыключатели используются для обнаружения и предотвращения перегрева. В случае повышения температуры до критического значения биметаллический диск или пластина деформируется, размыкая электрическую цепь и отключая устройство. Срабатывание происходит при достижении определенной температуры срабатывания. Как выбор сплава (Fe-Ni vs. TiNi) влияет на скорость срабатывания пожарного датчика? Сплав TiNi (титан-никель) обычно обладает более высокой скоростью срабатывания, чем сплав Fe-Ni (железо-никель), благодаря его свойствам материала с памятью формы и более резкому изменению формы при нагреве. Однако, Fe-Ni сплавы могут быть более стабильными в долгосрочной перспективе и менее чувствительны к внешним воздействиям, что также важно для надежности датчика.

Преимущества и ограничения технологии

Термобиметаллы обладают рядом преимуществ, но также имеют и некоторые ограничения, которые необходимо учитывать при выборе решения для конкретной задачи.

Сравнение с электронными датчиками и материалами памяти формы

По сравнению с электронными датчиками температуры, термобиметаллы обладают следующими преимуществами:

Простота и надежность: Не требуют внешнего питания и сложной электроники.
Низкая стоимость: Значительно дешевле электронных аналогов.
Устойчивость к электромагнитным помехам: Не подвержены воздействию электромагнитных полей.

Однако, электронные датчики обладают более высокой точностью и скоростью срабатывания, а также возможностью программирования и дистанционного мониторинга. Материал с памятью формы, такой как сплав на основе никеля и титана (NiTi), обладают свойством возвращаться к своей первоначальной форме после деформации при нагреве. Они сочетают в себе преимущества высокой чувствительности и быстрого срабатывания, но имеют более высокую стоимость и сложную технологию производства. VO₂ (диоксид ванадия) также проявляет свойства, изменяющиеся при температуре, но требует специализированного оборудования для интеграции.

Проблемы инерционности и компенсационные решения

Одним из основных недостатков термобиметаллов является их инерционность, то есть задержка между изменением температуры и срабатыванием устройства. Для компенсации этого эффекта используются различные конструктивные решения, в том числе:

Уменьшение размеров биметаллической пластины: Снижает тепловую инерцию.
Использование материалов с высокой теплопроводностью: Обеспечивает более быстрый нагрев и охлаждение пластины.
Компенсационные элементы: Дополнительные элементы, компенсирующие влияние температуры окружающей среды на точность срабатывания. Например, для термокомпенсации применяют специальные элементы, где компенсационный элемент (например, из стали) изменяет свою геометрию под воздействием температуры, чтобы компенсировать изменения, вызванные температурой окружающей среды, и тем самым улучшить стабильность работы всего устройства.
Компенсационные упоры: Термобиметалл может использовать компенсационные упоры, расположенные поперечно относительно основной биметаллической пластины. Эти упоры изготавливаются из материалов с известным ТКЛР и призваны компенсировать влияние изменений температуры окружающей среды на точность срабатывания устройства. Расчет длины этих упоров является критическим для обеспечения стабильной работы термобиметалла в широком диапазоне температур. Длина упора рассчитывается на основе разницы ТКЛР материалов упора и основной пластины, а также ожидаемого диапазона температур.

Примеры применения

Термобиметаллы продолжают находить применение в различных областях, где требуется надежная и экономичная защита от перегрева и других аварийных ситуаций.

Защита от перегрева в промышленных сетях

В промышленных сетях термобиметаллы используются в автоматах защиты, тепловых реле, для защиты трансформаторов, двигателей и другого оборудования от перегрузок и коротких замыканий. Эти устройства обеспечивают надежную автоматику и предотвращают дорогостоящие поломки оборудования.

Автоматика в автомобилях и умных домах

В автомобильной промышленности термобиметаллы используются в системах регулирования температуры, вентиляции и обогрева. В “умных домах” они применяются в системах управления освещением, отоплением и кондиционированием воздуха. Эти простые, но эффективные устройства обеспечивают комфорт и безопасность.

Термобиметаллы – это надежное и проверенное временем решение для защиты оборудования от перегрузок и перегрева. Несмотря на появление новых технологий, они продолжают играть важную роль в различных областях, где требуется простая, экономичная и надежная автоматика. При выборе термобиметаллов необходимо учитывать их ключевые характеристики, такие как ТКЛР, гистерезис и инерционность, а также требования конкретного применения. Важно учитывать соответствие продукции требованиям ГОСТ, ТУ на термобиметаллы и стандартам, таким как IEC 60947-4-1. Правильный выбор и применение термобиметаллов позволяет обеспечить надежность и долговечность оборудования, а также предотвратить аварийные ситуации. Важным аспектом является также качество сварки слоев биметаллической пластины для обеспечения долговечности и стабильности характеристик. В некоторых конструкциях вместо сварки может использоваться плавкое соединение слоев, которое также должно обеспечивать надежный контакт.

Частые вопросы и ответе (FAQ)

1. Как работает термобиметаллическое реле?

Термобиметаллическое реле использует тепловую энергию для размыкания или замыкания электрической цепи. Вот упрощенный принцип работы:

Нагрев: Когда через реле протекает ток (обычно в обмотке нагревательного элемента), биметаллическая пластина нагревается. Нагрев может быть прямым (ток протекает через саму пластину) или косвенным (от близлежащего нагревателя).
Изгиб: Из-за разного температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) металлов, составляющих биметаллическую пластину, один металл расширяется больше, чем другой. Это приводит к изгибу пластины.
Срабатывание: Изгибаясь, пластина толкает механизм, который размыкает или замыкает электрические контакты. Это может отключить защищаемое оборудование (например, двигатель при перегрузке) или включить сигнализацию.
Возврат: После остывания пластина возвращается в исходное положение, и контакты восстанавливаются (если реле настроено на автоматический возврат).

2. Чем термобиметалл отличается от материала с памятью формы?

Хотя оба материала реагируют на изменение температуры, различия существенны:

Термобиметалл: Деформируется пропорционально изменению температуры из-за разницы в ТКЛР. При охлаждении возвращается в исходное состояние. Деформация является результатом разницы расширения, а не изменения кристаллической структуры материала.
Материал с памятью формы (например, NiTi): При определенной температуре претерпевает фазовый переход, изменяя свою кристаллическую структуру. При нагреве выше этой температуры “вспоминает” свою первоначальную форму, даже если был сильно деформирован. Требует достижения определенной температуры для фазового перехода, а не просто пропорциональной деформации. В основном, термобиметалл работает за счет разницы расширений, а материал с памятью формы - за счет изменения структуры.

3. Какие ГОСТ регулируют свойства термобиметаллов?

Конкретных ГОСТов, посвященных исключительно термобиметаллам, немного, но свойства и характеристики могут быть определены и регламентированы через другие стандарты, в зависимости от области применения. Важно руководствоваться ТУ на термобиметаллы конкретного производителя (например: завод Мценскпрокат). Вот некоторые примеры:

ГОСТ 28338-89 Реле тепловые токовые. Общие технические условия. (хотя и не посвящен напрямую термобиметаллам, регулирует требования к тепловым реле, где они используются).
IEC 60947-4-1 – стандарт, определяющий требования к контакторам и пускателям электродвигателей, в которых часто используются тепловые реле на основе термобиметаллов.
Различные ГОСТ на сплавы, используемые в производстве термобиметаллов, регулируют их химический состав и физические свойства.

4. Почему биметаллический диск срабатывает «скачком»?

Биметаллический диск часто имеет вогнутую или выпуклую форму и находится в состоянии равновесия. При нагреве напряжение в металле нарастает до критической точки. Когда эта точка достигнута, диск внезапно переходит в другое устойчивое состояние (из выпуклого в вогнутое, или наоборот), вызывая “скачкообразное” срабатывание. Это связано с накоплением упругой энергии в диске, которая высвобождается при достижении точки нестабильности.

5. Как термобиметаллы защищают электродвигатели от перегрузок?

Термобиметаллы в тепловом реле защищают электродвигатели следующим образом:

Контроль тока: Ток, питающий двигатель, проходит через нагревательный элемент реле (или непосредственно через биметаллическую пластину).
Нагрев при перегрузке: Если двигатель перегружен, потребляемый ток увеличивается. Это приводит к увеличению нагрева биметаллической пластины.
Изгиб и отключение: Пластина изгибается из-за перегрева. Изгиб воздействует на механизм расцепления, который размыкает цепь питания двигателя.
Предотвращение повреждений: Отключение питания предотвращает дальнейший нагрев двигателя и защищает его от повреждений, вызванных чрезмерным током и температурой. После остывания тепловое реле можно перезапустить вручную или автоматически (в зависимости от конструкции).