Устройство и схемы подключения ТЭН

Трубчатые электронагреватели стали одними из самых широко распространённых устройств, предназначенных для преобразования электрической энергии в тепловую. Они повсеместно используются в бойлерах, отопительных котлах, стиральных и посудомоечных машинах, а также других разновидностях бытовой техники и промышленного оборудования. Рассмотрим подробнее устройство и схемы подключения ТЭН, чтобы разобраться, как он должен работать в электросети.

Устройство трубчатого электрического нагревателя

ТЭН представляет собой нагревательный элемент, состоящий из трубчатого корпуса, заполненного инертным материалом, и проходящей через него нихромовой спирали. Этот материал обладает высоким электрическим сопротивлением, поэтому при прохождении через него электрического тока спираль начинает сильно нагреваться. Тепловая энергия передается на корпус, обладающий высокой теплопроводностью, и уже от него нагревается рабочая среда.

Тонкостенная оболочка ТЭНа может быть выполнена из латуни, меди и других материалов, ее основная задача – обеспечивать герметичность и эффективно передавать тепло окружающей среде. Поскольку она напрямую контактирует с водой, необходимо позаботиться о ее защите от образования накипи.

Нихромовая спираль изолирована от корпуса специальным спрессованным наполнителем – обычно в этой роли выступает кварцевый песок, оксид магния или корунд. Торцевые части корпуса дополнительно герметизируются специальным лаком, чтобы исключить проникновение воды в корпус. Концы нагревательной спирали соединены с металлическими выводами, через которые на нее подается напряжение.

Чтобы исключить пробой на корпус, выводы прочно зафиксированы с использованием керамических изоляторов. Выводы имеют резьбовые концы, к ним подключаются провода и фиксируются шайбами с гайками. Управление мощностью ТЭНа осуществляется с помощью термостата, который отвечает за поддержание стабильного температурного уровня.

Варианты подключения ТЭНа

Самая простая электрическая схема управления ТЭНом своими руками подходит для устройств, мощность которых не превышает 1 кВт (1000 Вт). Такие приборы могут просто включаться в обычную бытовую розетку с помощью штепсельной вилки. Именно такой мощностью обладают нагревательные элементы, которые используются в электрочайниках, кофеварках и другой мелкой бытовой технике.

Если требуется собрать схему более высокой мощности, возможны следующие варианты подключения:

• Параллельное соединение ТЭНов, суммарная мощность которых не должна превышать 2 кВт. В этом случае нужно использовать более мощную вилку, так как она будет испытывать более высокую нагрузку.

• Последовательное подключение ТЭНов. Если включаются два ТЭНа с мощностью у каждого в 500 Вт, их суммарная мощность составит 1 кВт. У такой схемы есть важный минус: если перестанет работать один нагреватель, то выйдет из строя вся цепь. К тому же, при последовательном подключении общая мощность снижается в два раза: если были подключены два нагревателя с рабочим напряжением 220 В, то каждый из них бует получать только половину этого значения.

• Комбинированное соединение ТЭНов. В этом случае используется и последовательный, и параллельный тип подключения. В этом случае для одного участка цепи будут действовать правила последовательного подключения, а для второго – параллельного. Выглядит такая система следующим образом:

Чтобы предотвратить возможные аварийные ситуации, нагревательный элемент рекомендуется устанавливать вместе с защитным автоматом. Он монтируется в домовом щитке или подключается непосредственно возле работающего устройства. При возникновении короткого замыкания, пробоя на корпус или иного сбоя автомат сработает и перекроет подачу тока. Это позволяет предотвратить риск поражения электрическим током при возникновении пробоя.

Варианты подключения нагревателей к трехфазной сети

Трубчатые нагревательные элементы могут подключаться не только к однофазной, но и к трехфазной сети. В этом случае также возможно использование нескольких вариантов подключения:

• Тип подключения по принципу «звезда». В этом случае имеется несколько «ветвей», все они должны иметь одинаковую мощность. Между фазой и нулем в любом случае должно оставаться напряжение в 220 Вольт – это одно из основных правил. В каждой ветви может присутствовать несколько ТЭНов с последовательным или параллельным подключением, но в итоге они должны выдавать равную суммарную мощность. Устройство и схема подключения ТЭН по типу «Звезда» выглядит следующим образом:

• Соединение по типу «Треугольник». В этом случае между любыми двумя фазами обязательно должно быть напряжение в 380 В, при этом в каждую из «сторон треугольника» можно подсоединять последовательно или параллельно требуемое количество нагревателей с нужными показателями мощности. В итоге суммарная мощность получается путем объединения мощности каждой ветви. Такая схема выглядит следующим образом:

Как работает схема блока управления ТЭНами?

В современных электрокотлах и других нагревательных приборах используются термореле и другие устройства для контроля повышения и понижения температурного уровня. Реле обеспечивает своевременное включение и отключение нагревателя, чтобы поддерживать заданный уровень температуры воды. Такая схема блока управления ТЭНом выглядит следующим образом:

• Напряжение 220 В направляется на вход двухполюсного выключателя. С выхода автомата оно направляется на клеммы питания термореле. Ноль подсоединяется к клемме термореле А2 и левому выводу нагревательного элемента.
• Фаза подключается к клемме термореле, с помощью перемычки направляется на левый вывод контакта, а правый вывод соединяется с левым выходом нагревательного элемента. Также к клеммам подсоединяется температурный датчик.

Такая схема выглядит следующим образом:

Пока температура воды в нагревателе находится выше установленного значения, реле размыкает контакт, нагреватель перестает работать. Как только температура начинает опускаться и пересекает заданную отметку, это будет зафиксировано датчиком, в результате будет направлен сигнал на реле. Контакт замыкается, фаза начинает подаваться на правый выход нагревательного элемента, в результате процесс его работы возобновляется.

Аналогичным образом, как только температура превысит установленный порог, датчик среагирует на ее повышение, подаст на реле сигнал. В результате контакт разомкнется, нагреватель временно перестанет работать. Такая система позволит поддерживать нужный температурный уровень в автоматическом режиме без постоянного присутствия и контроля человека.

Схема с использованием контактора

Более сложная схема управления ТЭНами включает в себя контактор в дополнение к использованию термореле. В этом случае напряжение подается на клеммы двухполюсного автомата, с его выхода попадает на клеммы питания термореле, ноль подсоединяют к клемме реле, выводу катушки контактора и к выводу нагревательного элемента.

Соединение выглядит следующим образом:

Пока температура воды в емкости поддерживается выше установленного значения, контакт разомкнут, напряжение на нагреватель не подается, и он не работает. Как только температурный уровень начинает снижаться и пересекает заданное значение, изменение фиксируется датчиком, в результате подается сигнал. Реле замыкает контакт К1 в схеме, фаза направляется на нижний выход силового контакта и на вывод катушки контактора.

При срабатывании контактора он замыкает силовые контакты, в результате фаза начинает поступать на верхний вывод нагревателя. Он начинает работать, в результате обеспечивается повышение температуры до заданного значения. Как только температура поднимается до установленного значения, датчик аналогичным образом отправляет сигнал для размыкания контакта, в результате ТЭН отключается и перестает нагревать рабочую среду.

Такая схема обеспечивает гарантированную защиту без перегрева и стабильную работу с поддержанием заданного температурного режима. Контроль человека не требуется, система автоматически отключает или запускает нагревательный элемент в соответствии с текущим температурным уровнем рабочей среды.

Неправильная сборка схемы с использованием нагревательных элементов может стать причиной коротких замыканий, возгораний, срабатывания защитного автомата с прекращением подачи электроэнергии. Монтировать сеть без специальных знаний, навыков и инструментов категорически запрещено, для подключения электронагревателей необходимо обратиться к специалистам. Непрофессиональное подключение может лишь со временем проявиться неприятными последствиями, поэтому лучше избегать любого риска.