Também chamado de relé de sobrecarga, ou mesmo de relé bimetálico, sua função é atuar desligando o motor antes que o limite de deterioração seja atingido. O relé térmico é uma réplica do motor, pois é criado com base em um modelo térmico do mesmo. Sua fabricação se dá, a partir da laminação de dois metais de coeficientes de dilatação diferentes unindo-os por meio de um enrolamento por onde passa a corrente que vai para o motor.
Recomenda-se a instalação de um relé térmico para cada fase do motor, pois a instalação em uma ou duas fases, no caso do motor elétrico trifásico, pode não ser o bastante para proteger o mesmo.
Como o enrolamento do relé térmico é ligado em série com a fase, caso haja aquecimento, o par de placas bimetálicas se deforma, promovendo uma curvatura devido à diferença de dilatação entre os metais, o que leva a libertação do dispositivo de trava contido num invólucro isolante de alta resistência térmica abrindo os contatos do relé e a consequente abertura do circuito do motor.
A temperatura ambiente também pode provocar a dilatação das lâminas bimetálicas, caso seja superior ao limite de ajuste, situação passível de ocorrer em quadros de distribuição por exemplo. Para evitar tal fato, altera-se a conformação das lâminas bimetálicas ou utiliza-se uma lâmina bimetálica auxiliar influenciada apenas pela temperatura ambiente.
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