STUDIUL BIMETALULUI SI A RELEELOR TERMICE1. Noiuni teoretice Bimetalul (fig.1), este un ansamblu executat din dou lamele metalice (1 si 2) de grosime apropiat sau egal, cu coeficieni de dilatare, sudate intim ntre ele pentru a evita alunecarea una fa de alta, care sub influena temperaturii poate efectua o deplasare limitat dezvoltnd i o anumit for.

Fig.1 Lamel bimetalic 1. element activ ( 1 , E1 ) 2. element pasiv ( 2 , E 2 ) cu 2 1 unde: 1 , 2 - coeficieni de dilatare liniar a elementelor componente E1 , E 2 - modulele de elasticitate ale celor dou elemente 1.1 Parametrii bimetalului a) deformaia elementului bimetal Pentru simplificare se fac urmtoarele aproximaii: - nclzirea bimetalului este uniform; - seciunea transversal a bimetalului rmne plan si perpendicular pe axa ei longitudinal; - coeficienii de dilataie liniar rmn constani. Cu aceste ipoteze i cu notaiile din fig.2, rezult deformaia elementului bimetalic: l2 (1) f = 0.75 ( 1 2 ) ( 1 0 ) d unde: f = sgeata (deformaia) [cm] 1 2 = diferena coeficienilor de dilatare a elementelor componente ale bimetalului;

1

1 0 = supratemperatura bimetalului fa de temperatura 0 la care aceasta este nedeformat; l0 = lungimea total a bimetalului [cm] d = grosimea bimetalului [cm]

Fig.2 b) Fora dat de elementul de bimetal:F= E bd3 f [N] 4l3

(2)

unde: E = modulul de elasticitate [N/cm 2 ] b = limea lamelei de bimetal [cm] f = sgeata [cm] c) Solicitrile care apar n seciunea transversal

=

6 F l bd2

(3)

d) Legea de variaie n timp a nclzitii elementului bimetalic aproximnd c parametrii nu variaz cu temperatura:

= f (1 e t / ) [C]

(4) (5)

f =

RI 2 S ext

[C]

Constanta de timp

2

=

mc [s] S ext

(6) (7) (8)

m = b d l0

R=

l0 bd

=

6 F lo bd2

(9)

unde:

f = supratemperatura final [C] = constanta de timp a elementului termobimetalic [s] m = masa elementului bimetalic [g] = densitatea volumic a elementului bimetalic [g/mm 3 ]

S ext = suprafaa exterioar a elementului bimetalic [mm 2 ] c = cldura specific [ W s / g C ]

1.2 Tipuri constructive de termobimetale1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Element termobimetalic drept, ncastrat la un capt. Element termobimetalic tanat in form de U, ncastrat la un capt. Element termobimetalic ndoit, ncastrat la un capt. Element termobimetalic ondulat, ncastrat la un capt. Element termobimetalic n form de spiral plan. Element termobimetalic n form de rondel perforat. Element termobimetalic n form de spiral elicoidal.

3

Fig. 3

1.3 Moduri de nclzire ale bimetalelor

1. 2. 3. 4. 5.

nclzire direct. nclzire indirect. nclzire combinat. nclzire direct prin intermediul unui transformator de curent. nclzire indirect prin intermediul unui transformator de curent. 4

I I 1 I I 2 I 3

I

5 4 I2

I2

I2

I1Fig. 4 1.4 Utilizrile termobimetalului

I1

Termobimetalul este utilizat n instalaii pentru reglajul temperaturii, pentru msurarea mrimilor electrice (ampermete i wattmeter termobimetalice), deasemenea pentru msurarea mrimilor neelectrice (msurarea i controlul temperaturii, presiunii, umiditii). Termobimetalul este utilizat pentru protejarea instalaiilor electrice mpotriva depirii nclzirii maxime admise, protecia realizndu-se cu relee termice. Releele termice tripolare asigur protecia la suprasarcin a receptoarelor electrice. Releele termice sunt constituite din lamele bimetalice care dilatndu-se diferit n urma nclzirii produse de trecerea unui current electric (prin ele sau prin nfasurarea care le nconjoar), se nconvoaie i deschid un contact electric din ansamblul lor. Forma constructiv i modurile de nclzire a lamelelor termobimetalice utilizate n construcia releelor termice, au fost prezentate anterior.

1.5. Principiul de funcionare a releelor termice.n fig.5 este reprezentat un tip de releu termic tripolar cu ntreruperea brusc a contactului n vederea evitrii formrii arcului electric la nterupere, folosind principiul zvorului bimetalic. 5

Lamelele bimetalice L acioneaz prin intermediul unei tije izolante comune T asupra prghiei componente B, care elibereaz colarul C provocnd astfel deschiderea contactelor K din circuitul de comand. Reglajul se face prin deplasarea articulaiei A, variind astfel distana ntre captul tijei T i prghia B. Acest tip de releu are declanarea liber, la apsarea pe butonul O, contactele K sunt meninute deschise n tot cuprinsul operaiei de dezvorre. Dac condiiile de declanare exist nc, prghia B este nclinat i colarul C nu poate reveni n poziie normal nemaipermind nchiderea contactelor K.

Fig.5 n fig. 6 este prezentat schema de principiu dup care realizeaz protecia motoarelor electrice cu ajutorul releelor termice.

R

S

T A C

Bo RT

B p C

e1 C

e2

e3

RT

M3Fig.66

M = motor asincron C = contactor e1 , e 2 , e 3 = sigurane fuzibile

RT = releu termic B0 = buton oprire

Bp = buton pornire A = ampermetru 10 c.c.n tabelul 1 sunt prezentate punctele caracteristice ce trebuie respectate de ctre releele termice. Curenii de lucru ai releelor termice. Curentul de suprasarcin ca multiplu al curentului reglat 1.05 I r 1.2 I r 1.5 I r Timpul de acionare

Tabelul 1. Starea iniial

S nu acioneze sub 2h Sub 2h Sub 2 minute

Pornind din stare rece Pornind din stare cald Pornind din stare cald

Curentul reglat I r poate fi orice curent cuprins n scara de reglaj a aparatului, domeniu n care utilizatorul trebuie s-i ncadreze curentul absorbit de motor. Acest domeniu, conform STAS 4480-1968 este I r = (0.6 1) I S unde: I S - este curentul de serviciu al releului termic [A] Curentul nominal al receptorului (motorului) se citete pe plcua motorului sau se poate calcula cu relaia: P I= [A] (10) 3U cos unde: P puterea activ a motorului [kw] U tensiunea ntre faze [V] - randament cos - factor de putere n general putem lua: = 0.9 i cos = 0 .8

7

2. CHESTIUNI DE STUDIATSe vor studia bimetalul B i releul termic R T (tip TSA) din punct de vedere constructiv, ridicndu-se schie constructive aferente. Se va determina caracteristica de protecie (fig.7), ta1 = f1 ( I ) pentru starea rece i respectiv ta 2 = f 2 ( I ) pentru stare cald a bimetalului B. Se vor determina pe cale experimental i analitic urmtoarele caracteristici: = f 3 ( I ) ; f = f 4 ( I ) ; F = f 5 ( I ) ; f = f 6 ( ) ; F = f 7 ( ) pentru bimetalul B. Se va determina analitic compres. = f 8 ( ) i int indere = f 8 ( ) pentru bimetalul B. Se vor ridica experimental caracteristicile de declanare t d = f (I ) pentru releul termic R T (tip TSA) avnd I N = 32 A , I S = 4.5 A - caracteristica de declanare la reglaj maxim I1 = 4.5 A - caracteristica de declanare la reglaj minim I 2 = 3 A Se va realiza reglajul i verificarea proteciei la supratemperatur pentru motorul asincron cu urmtoarele caracteristici: PN = 1.5 KW ; U N = 380V ; I N = 3.62 A ; cos = 0 .81 folosind montajul din fig.6.

Fig.7

8

3. SCHEME DE LUCRU I APARATE UTILIZATEn fig.8 sunt prezentate forma constructiv i caracteristica bimetalului B, utilizat (VAC 7436).

Fig.8A1 K 220 V K1 T C T C B CE A A2 K B C RT G

sgeata specific: K 0 = 0.21 104 (1 / C ) rezistivitatea: 20 = 1.08 10 6 (m) modul de elasticitate: E = 13 .5 10 10 ( N / m 2 ) cldura specific: C = 0.46 10 3 (W s / kg grad ) tensiunea maxim de nconvoiere: 20 = 4 10 8 ( N / m 2 ) constructivitatea termic: = 6.3(W / m 2 ) greutatea specific: = 7.8 10 3 (kg / m 3 ) diferena coeficienilor de dilataie liniar ai elementului (cele dou pri componete active i pasive): 1 2 = 50 10 3 (C ) 1

AT R-18

T

K2

RT C1 2

K3 K5 V3 4 5

T 220 V/24 V

Fig. 99

AT autotransformator ATR-18; T transformator de cureni inteni; TC transformator de masur pentru 50/5 A; A 1 - ampermetru 10A; A 2 - ampermetru 50 A; K ntreruptor general pachet; K1 - K2 ntreruptoare pachet; K3 - K4 - K5 ntreruptoare bipolare; Te- tarmistor; D dinamometru (1 diviziune = 0.15 N) C.C. ceas comparator pentru msurarea sgeii G - aparat pentru msurarea rezistenei termistorului (digital multimeter E 0502) V ventilator pentru rcire, U N =220V; CE cronometru electric

4. MODUL DE LUCRU 4.1 Se studiaz bimetalul B si releul termic tip TSA, identificndu-se tipul constructiv si funcional, ridicnd i schie constructive. 4.2 Pentru determinarea caracteristicilor de protecie pentru starea rece i cald se vor efectua operaiilor indicate n continuare pentru fiecare valoare a curentului I reglat: a) se regleaz ceasul comparator CC astfel nct s indice valoarea 0 b) se trece comutatorul K pe poziia 1 c) se trece comutatorul K1 pe poziia 1 d) cu ajutorul ATR 18 se va regla curentul I prin bimetalul B e) se trece comutatorul K pe poziia 0 f) se trece comutatorul K4 pe poziia 1 pornind ventilatorul V rcindu-se bimetalul pn ce acul indicator de la ceasul comparator CC revine la 0, moment n care se trece comutatorul K4 pe poziia 0,oprindu-se ventilatorul V. g) comutatorul K5 se va afla pe poziia 0 h) se trece comutatorul K3 pe poziia 1 i) se trece comutatorul K1 pe poziia 1 cronometrndu-se timpul corespunztor sgeii f = 1.2 mm i la f = 3 mm. Sgeata se citete pe ceasul comparator CC, iar timpul realizrii sgeii la cronometru. j) se trece comutatorul K1 pe poziia 0 k) se efectueaz punctul f l) se reiau operaiile ncepnd cu punctul c pana la k inclusiv, pentru alte valori reglate ale curentului I. m) cnd caracteristicile de protecie au fost ridicate, se trece comutatorul K pe poziia 0 .Rezultatele se trec in tabelul 2

10

I(A) f(mm) 1,2 ta 1 (s) 3 ta 2 (s) ta 2 (s)- ta 1 (s)

5

8

10

12

15

25

30

40

50

ta 1 (s) = f (I) reprezint caracteristica de protecie pentru starea rece ta 2 (s)- ta 1 (s) = f (I) reprezint caracteristica de protecie pentru starea cald Not: Se consider sgeata f = 1.2 mm n regim stabilizat pentru curentul nominal I = 5A.

4.3 Pentru determinarea caracteristicilor = f 3( I ) , f = f 4 ( I ) , F = f 5 ( I ) ; f = f 6 ( ) ; F = f 7 ( ) se vor efectua urmtoarele operaii pentru fiecare valoare a curentului I reglat: a) se desface scurtcircuitul bornelor AB i se monteaz ampermetrul A 2 (10A). b) se introduce g n circuit la bornele termistorului Te. c) se regleaz determinrile de la punctul 4.2 a-g. d) se cupleaz sursa de alimentare efectund operaiile de la punctul 4.2 h, sursa rmnnd cuplat pn la atingerea regimului stabilizat (valoarea indicat de G rmne constant) moment n care se efectueaz determinrile. e) se trece K1 pe poziia 0 f) se efectueaz punctul 4.2 f g) se reiau operaiile de mai sus pentru alt valoare a curentului h) se efectueaz punctul 4.2 mRezultatele se trec in tabelul 3 I(A) R Te ( ) ( C ) 1 = (div) F=0.15 f(mm) 4 6 8 10 12

Pentru determinarea forei F se procedeaz astfel: se trage (fig.10) cu ajutorul crligului dinamometrului D de partea nencasat (liber) al metalului B pn cnd acul indicator al ceasului comparator va indica valoarea 0, acesta semnificnd c fora indicat de dinamometru este egala cu cea de apsare a bimetalului. n moment se va citi indicaia 1 la dinamometru. Temperatura se determin utiliznd curba de etalonare a termistorului Te plasat pe pupitrul modul aferent lucrrii de laborator.

11

Fig.10 Determinarea forei F cu ajutorul dinamometrului 4.4 Pentru determinarea caracteristicii compres. = f 8 ( ) i int indere = f 8 ( ) se realizeaz relaia (9) i datele din tabelul 3. 4.5 Pentru determinarea caracteristicilor de declanare a releului TSA 32 cu I S = 4.5 A se efectueaz urmtoarele operaii, comutatoarele K1-K5 fiind iniial pe poziia 0, att pentru situaia de reglaj maxim, ct i pentru cea de reglaj minim. a) Comutatorul K5 se afl pe poziia 1. b) Se trece comutatorul K pe poziia 1. c) Se trece comutatorul K1 pe poziia 1. d) Cu ajutorul ATR 18 se va regla curentul I prin bimetalul B ce va fi trecut apoi prin releul termic RT. e) Se trece comutatorul K1 pe poziia 0. f) Se trece comutatorul K3 pe poziia 1. g) Se trece comutatorul K2 pe poziia 1 cronometrndu-se timpul necesar pentru declanarea releului termic R. h) Se trece comutatorul K2 pe poziia 0. i) Se rearmeaz releul termic RT. j) Se reiau operaiile ncepnd cu punctul 4.5 b, pentru o alt valoare a curentului reglat.

Rezultatele se trec in tabelul 4 i 5. Caracteristica de declanare la reglaj maxim.

I 2 = 4.5 AI ( A) td (s )

1.2 I 2

1.5I 2

2I 2

3I 2

4I 2

5I 2

Tabelul 4 6I 2

Caracteristica de declanare la reglaj minim

I1 = 3 AI ( A) td (s )

1.2I1

1.5I1

2I1

3I 1

4I1

5I 1

Tabelul 5 6I1

12

Not: nainte de efectuarea operaiilor 4.5 a - j se procedeaz la reglarea releului termic pentru valorile I 2 = 4.5 A , respectiv I1 = 3 A , utiliznd butonul de reglaj al acestuia.

4.6 a) Se realizeaz montajul din fig. 6. b) Se calculeaz curentul absorbit de motor cu relaia (10) c) Se rotete butonul de reglaj pn se va aduce indicatorul n dreptul valorii curentului motorului. Verificarea unui bun reglaj se face astfel: - se pornete motorul la sarcina nominal realiznd o frnare prin sabot pn n momentul n care ampermetrul indic curentul calculat la punctul 4.5 b. - cu motorul n plin mers se scoate o siguran din amonte, ntrerupndu-se o faz - se va cronometra timpul n care se realizeaz declanarea din momentul scoaterii siguranei, releul urmnd, n cazul unui reglaj corect, s declaneze n maxim 2 minute. - dac nu declaneaz, este necesar s se roteasc butonul de reglaj spre limita inferioar a scalei, pn cnd releul declaneaz. - se monteaz sigurana la loc i se verific dac releul nu declaneaz la pornirea motorului. 5. Bibliografie1) Clin S. - Protecia prin relee, Editura tehnic, Bucureti, 1975 2) Peicov Al. Aparate electrice, Curs pentru secia de Electromecanic, Reprografia Universitii din Craiova, 1981

13