Закрити

  Авторизація

Логін
Пароль
Запам'ятати на 2 тижні?

Забули пароль?
Якщо ви незареєстровані, пройдіть реєстрацію
Останні новини
Останні новини
«ODW-Elektrik» у Новому Роздолі: нарощення потужностей
24.04.2017р.

Днями у місті Новому Роздолі на Львівщині, віддавна...

Завтра «ЛЕО» припиняє постачання електроенергії на НКТ
24.04.2017р.

ТОВ «Луганське енергетичне об'єднання» з 25 квітня...

Україна – Польща: реалізація проектів в енергетичній сфері
20.04.2017р.

Перший заступник міністра енергетики та вугільної...

Три стадії переходу на відновлювану енергетику
20.04.2017р.

Процес переходу на чисту енергетику в більшості...

Експозицію «Schneider Electric» відкрила посол Франції
19.04.2017р.

Днями у Києві відбулася традиційна Міжнародна...

Опитування
Опитування

Вам подобається оновлений портал?

7767
25.02.2009р. |
Застосування електромагнітних реле

Електромагніт притягає якір, що через механічну систему перемикає контакти. У нашому випадку ці контакти потужні, здатні комутувати значні струми при високих напругах. Усякий розробник, знає з практики труднощі які виникають при комутації великих струмів або високих напруг за допомогою реле.

Про труднощі потім, а зараз розглянемо, де потрібно комутувати великі струми за допомогою реле.

Електромагнітне реле має такі переваги:

- здатність комутувати навантаження потужністю до 4 кВт при об’ємі реле менше 10 см3;
- стійкість до імпульсних перенапруг і руйнівних завад, що з'являється при розрядах блискавок і в результаті комутаційних процесів у високовольтному обладнанні;
- виняткову електричну ізоляцію між керуючим колом (котушкою) і контактною групою - останній стандарт 5 кВ;
- малий спад напруги на замкнутих контактах, і, як наслідок, мале виділення тепла: при комутації струму 10 А малогабаритне реле сумарно розсіює на котушці й контактах менше 0,5 Вт;
- низьку ціну електромагнітних реле порівняно з напівпровідниковими ключами: економічність була, є й буде вирішальним фактором для переважної більшості промислових розробок.

Навівши переваги, відзначимо й недоліки реле: мала швидкість роботи, обмежений (хоча й дуже великий) електричний і механічний ресурс, створення радіоперешкод при замиканні й розмиканні контактів і, нарешті, остання й найнеприємніша властивість - проблеми при комутації індуктивних навантажень і високовольтних навантажень постійного струму. Це - спеціальні випадки, що створюють труднощі при виборі й експлуатації реле. Виявленню й подоланню цих труднощів і присвячена ця стаття.

Рис. 1. Коефіцієнт зменшення робочого струму контакторов в залежності від cosφ навантаження

Типова практика застосування потужних електромагнітних реле - це комутація навантажень змінного струму напругою 220 В, або постійного струму від 5 до 24 В при струмах комутації до 10-16 А. Звичайними навантаженнями для контактних груп потужних реле є нагрівачі, малопотужні електродвигуни (наприклад, вентилятори й сервоприводи), лампи розжарювання, електромагніти та інші активні, індуктивні і ємнісні споживачі електричної потужності в діапазоні від 1 Вт до 2-3 кВт. Типові для практики навантаження відрізняються малою індуктивністю, точніше, малою постійною часу - не більше 10 мс, невеликими перевантаженнями за струмом при вмиканні й відсутністю викидів напруги при вимиканні.

З індуктивністю навантаження й викидами напруги самоіндукції можна ще миритися при напрузі живлення 12 або 24 В, оскільки контакти реле дуже добре комутують низьковольтні індуктивні навантаження - саме тому в автомобільній електроніці з потужними реле жодних проблем немає. При зростанні напруги від 30 В технічні проблеми поступово з'являються й наростають у міру збільшення потужності навантаження, ускладнюючи інженерові життя при напрузі вище 100 В та струмі навантаження більше 0,1 А.

Напруга 220 В типова для промислової електротехніки й автоматики, де повсюдно застосовуються джерела резервного живлення (ДРЖ) на основі акумуляторних батарей з такою напругою. На електростанціях всі життєво важливі системи живляться тільки від ДРЖ постійного струму 220 В. Техніка зв'язку працює з постійними струмами 48 або 60 В і там теж є необхідність у комутації досить великих струмів.

Рис. 2. Маркування на корпусі промислових реле

Зі змінним струмом все набагато складніше, особливо якщо треба комутувати індуктивні навантаження при напрузі, скажімо, 220 В. Електродвигуни, наприклад, не тільки створюють при вмиканні десятикратні перевантаження за струмом, але й мають шкідливу звичку віддавати в коло живлення високовольтні сплески напруги при вимкненні. Контакти реле тут потерпають двічі: перший раз від перевантаження за струмом при вмиканні електродвигуна, другий раз - від іскріння, викликаного високою напругою самоіндукції. Подібно до електродвигуна поводиться й соленоїд, повним аналогом якого є звичайний у промисловій електротехніці магнітний пускач. Про такі підступні властивості відомо давно, і всі навантаження за ступенем їх складності класифіковані в спосіб, наведений нижче.

Навантаження категорії АС-1 і АС-2 - найпростіші для експлуатації: при таких режимах реле можна вибрати за паспортною комутаційною здатністю. Наприклад, для реле виробництва RELPOL серії RM96 у каталозі зазначено, що при 250 В контактна група реле може комутувати до 8 А. По суті, у каталозі зазначений режим комутації АС-1. Для більшості реле в каталогах також вказується залежність зниження робочого струму від cosφ навантаження. На рис. 1 показаний такий графік для згаданого реле RM96.

Така залежність вказує на потребу зниження струму комутації при зростанні cosφ. Реально для якісного реле робочий струм комутації при cosφ = 0,5 повинен бути не меншим ніж 80% від паспортного значення для резистивного навантаження, інакше контакти реле не мають запасу за тепловою потужністю, що розсіюється, і для комутації індуктивних навантажень малопридатні.

Невелике зауваження. Автори статті за останні п'ять років купили й розібрали кілька десятків реле різних виробників (головним чином з Азії) і з’ясували, що практично всі досліджені надмініатюрні реле, за каталогом сертифіковані на робочі струми навіть до 12 А, мали усередині дуже мініатюрні й легкі контакти, непридатні для комутації індуктивних навантажень. «Комутаційні» експерименти показали, що при cosφ = 0,5 та робочій напрузі 220 В коефіцієнт зниження струму, що комутується, у таких реле дорівнював приблизно 4-5 А (тобто всього 20-25 % від паспортного значення). Для навантаження категорії АС-2 одне з таких реле з написом на корпусі 12 А Pilot Duty було здатне без перегрівання контактів комутувати менше 3 А! Через малий проміжок між контактами такі реле не здатні надійно розривати навантаження класу АС-2 при струмі більше 2 А, а тим більше, не годяться для потужних індуктивних навантажень постійного струму при напрузі вище 24 В. Між іншим, прийнятий в американській електротехніці термін Pilot Duty вказує на резистивне навантаження. Короткочасне навантаження 12 А для контактів такого реле хоча й можливе, але контакти не витримають індуктивних навантажень.

Таблиця 1. Категорії навантажень для кіл змінного струму


Категорія навантаження

Типові приклади навантажень

АС-1

Активні навантаження або навантаження з незначною індуктивністю

АС-2

Колекторні електродвигуни, вмикання й вимикання

АС-3

Асинхронні електродвигуни із КЗ ротором, вмикання, вимикання при роторі, що обертається

АС-4

Асинхронні електродвигуни із КЗ ротором, вмикання, вимикання при роторі, що обертається

АС-5а

Вмикання люмінесцентних ламп або ламп із електронним керуванням розрядом

АС-5b

Вмикання ламп розжарювання

АС-6a

Вмикання й вимикання трансформаторів

АС-6b

Вмикання батарей конденсаторів

АС-7a

Невеликі індуктивні навантаження в обладнанні для побутової електротехніки

АС-7b

Вмикання й вимикання електродвигунів побутової електротехніки

АС-8a

Герметичні компресори холодильників з ручним скиданням після виникнення перевантаження

АС-8b

Герметичні компресори холодильників з автоматичним скиданням і перезапуском після виникнення перевантаження

АС-12

Керування резистивними навантаженнями й напівпровідниковими приладами при застосуванні опторозв'язок для гальванічної ізоляції

АС-13

Керування резистивними навантаженнями й напівпровідниковими приладами при застосуванні трансформаторів для гальванічної ізоляції

АС-14

Керування невеликими електромагнітами й контакторами

АС-15

Керування електромагнітами змінного струму

АС-20

Комутація ЗА відсутності струму навантаження

АС-21

Керування резистивними навантаженнями з невеликими перевантаженнями при перехідних процесах

АС-22

Керування резистивно-індуктивними навантаженнями включно з невеликими перевантаженнями при перехідних процесах

АС-23

Комутація електродвигунів або інших потужних індуктивних навантажень

Крім змінного струму, докучає інженерам і постійний, на якому індуктивні навантаження поводяться щодо контактів реле ще агресивніше. У таблиці 2 перераховані категорії навантажень постійного струму. Для контактів порівняно безпечне навантаження класу DC-1, та й то при напрузі комутації менше 60 В. Інші категорії навантажень DC викликають утворення електричної дуги при вимиканні й створюють при вмиканні потужні перевантаження за струмом.

Таблиця 2. Категорії навантажень для кіл постійного струму


Категорія навантаження

Типові приклади навантажень

DC-1

Активні навантаження або навантаження з незначною індуктивністю

DC-3

Шунтові електродвигуни, вмикання, вимикання при роторі, що обертається, динамічне гальмування

DC-5

Електродвигуни, вмикання й вимикання при роторі, що обертається, динамічне гальмування

DC-6

Вмикання ламп розжарювання

DC-12

Керування резистивними навантаженнями й напівпровідниковими приладами при застосуванні опторозв'язок для гальванічної ізоляції

DC-13

Керування електромагнітами

DC-14

Керування електромагнітними навантаженнями із вбудованими обмежувальними резисторами

DC-20

Комутація за відсутності струму навантаження

DC-21

Керування резистивними навантаженнями з невеликими перевантаженнями при перехідних процесах

DC-22

Керування резистивно-індуктивними навантаженнями включно з невеликими перевантаженнями при перехідних процесах (наприклад, шунтові електродвигуни)

DC-23

Комутація електродвигунів або інших потужних індуктивних навантажень

У каталогах заводи іноді вказують максимальну потужність електродвигуна, яким здатні керуватити контакти вироблених ними реле. Часто цей параметр зазначений на корпусі реле, хоча це більш-менш обов'язково тільки для реле, вироблених для США й Канади. Навіть за відсутності каталогу багато інформації можна почерпнути з написів, на корпусі реле. На рис. 2 зображено корпус типового промислового реле, а напис на корпусі реле RM93 розшифровується так:

- RM93P - марка реле, заводська назва;
- 250 V 8 A AC1 - вид навантаження для сертифікації контактів;
- 24 В - напруга котушки, а поруч, до речі, зображення котушки в американському стандарті, далі - схема розташування контактів і виводів котушки;
- В - один зі знаків сертифікації (Польща);
- 10 А 250 В RES - відноситься до сертифікації UL і CSA (США й Канада), RES означає «резистивне навантаження»;
- 10 А 24 В 115 В - це для невеликих індуктивних навантажень;
- 1/4 HP @ 120 В - контакт реле може вмикати й вимикати асинхронний електродвигун потужністю до 1/4 кінської сили (HP=Horse Power), приблизно 200 Вт при напрузі 120 В;
- В300 PILOT DUTY - позначає категорію ізоляції реле.

Зауважимо, що в американській сертифікації це реле придатне для комутації струму 10 А, а в європейській допускається робочий струм до 8 А. Контакти цього реле показані на рис. 3.

 

Рис. 3. Контакти мініатюрного промислового реле

Для забезпечення можливості комутації індуктивних навантажень або для роботи з більшими перевантаженнями за струмом контакти реле повинні мати певну масивність і рівномірно відводити тепло від точки контакту. З цих же міркувань струмопідвід до контакту повинен мати велику поверхню для активного відведення тепла від контакту. На перехідний опір контакту його масивність не впливає, але якщо зробити контакт дуже легким, то при іскрінні або перевантаженнях за струмом він буде дуже перегріватися (до +200 °С і вище), причому без швидкого й надійного відведення тепла на виводи реле й у навколишнє середовище, що неодмінно спричинить:

- активне окислювання металу контакту (зростає опір контакту);
- перегрівання контактної пружини (струмопідводу) і втрата пружних властивостей (контакт стає нестабільним);
- перегрівання усередині корпуса реле й активне газовиділення з пластику;
- взаємодія газів з матеріалом контактів і утворення полімерних плівок на поверхні контактів (зростає опір контакту й посилюється зношення).

Отже, для контактів реле складними є навантаження, представлені в таблиці 3.

Таблиця 3


Складні навантаження для комутації кіл змінного і постійного струму

Складні додаткові навантаження для комутації кіл постійного струму

Індуктивні навантаження, що створюють перевантаження при вмиканні (електромотори, соленоїди, трансформатори тощо)

Резистивні навантаження при комутації високовольтних навантажень постійного струму

Індуктивні навантаження, що генерують високовольтну напругу самоіндукції при вимиканні

Для таких випадків комутації основне навантаження контактів реле створює перевантаження за струмом, наприклад, при розгоні електродвигунів, і за напругою - високовольтна самоіндукція характерна, наприклад, для електромагнітних клапанів.

Особливими є навантаження від ламп розжарювання: начебто вони є активними, а насправді при вмиканні холодна нитка розжарювання має в 10 разів менший опір, ніж потім, коли вона розігріта до білого розжарення. Час розігрівання нитки досить тривалий: за змінного струму тривалість прогрівання для лампи потужністю 100 Вт становить 300 мс, тому лампа розжарювання - теж складне навантаження для контактів реле. Згідно з каталогом надійне промислове реле з гарантованим ресурсом 100000 комутацій для резистивного навантаження 16 А, 250 В (4000 Вт) здатне 100000 разів ввімкнути лампу розжарювання, але потужністю 1000 Вт, тобто всього 25% від «резистивної» потужності! Причина - десятикратні перевантаження під час вмикання.

Спеціальна примітка: багато проблем комутації для контактів електромагнітного реле також залишаються проблемами й для напівпровідникових реле. Зокрема, симісторне реле на 25 А для навантажень категорії АС-1 надійно комутирує всього 7 А для «електромоторних» навантажень категорії АС-3. Таке ж зниження робочого струму вказується й для навантажень у вигляді ламп розжарювання. На рис. 4 показані перехідні процеси для різних навантажень (споживання струму як функція часу при вмиканні навантаження).

Ці перевантаження — струмові, але для індуктивних навантажень характерні перевантаження, пов'язані з напругою самоіндукції. Тут немає навантаження контактів за струмом, зате є висока напруга, що прикладається до проміжку між контактами реле. Відстань між розімкнутими контактами реле визначається тільки конструкцією реле. Що більша ця відстань, то більше часу потрібно для вмикання реле, а час вмикання завжди намагаються звести до мінімуму. Крім того, якщо при великій відстані між контактами конструктори хочуть зберегти малий час вмикання, то неминуче зростає потужність котушки й пов'язаний із цим додаткове перегрівання реле. Як завжди, перемагає розумний компроміс, і для справжніх промислових реле вибирається відстань між контактами від 0,4 до 0,8 мм.

Якщо реле зроблено правильно, контакти масивні, а струмопідведення широке, то тепло від контактів відводиться ефективно й контакти не руйнуються. На практиці зустрічаються потужні індуктивні навантаження з малим внутрішнім опором і високою добротністю. Практично це означає, що при робочій напрузі 220 В під час вимикання струму з'являється імпульсна напруга самоіндукції з амплітудою до 5 кВ. Знаючи, що пробивна напруга в повітрі становить 30 кВ/см, легко розрахувати, що напруги 5 кВ вистачить для впевненого «пробою» проміжку між контактами, що дорівнює 1,5 мм. При проміжка між контактами 0,6 мм генеруватиметься незгасаюча електрична дуга, що швидко зруйнує контакти. Але усе ще залежить і від струму комутації.

Для промислових реле в каталогах даються графіки залежності робочого струму (це струм розриву або струм вимикання) контактів від величини напруги DC навантаження. На рис. 5 показана така залежність для реле RM94 при вмиканні послідовно двох контактних груп (цей простий схемотехнічний прийом у роботі на DC підвищує робочий струм контактів приблизно на 70%).

Із цього графіка видно, як складно комутувати великі індуктивності на постійному струмі, але комутирувати їх все-таки треба - промисловість потребує.


Потужні електромагнітні реле належать до електромеханічних компонентів і містять у своїй конструкції електромагніт, механічну систему й набір електричних контактів. Електромагніт притягає якір, що через механічну систему перемикає контакти. У нашому випадку ці контакти потужні, здатні комутувати значні струми при високих напругах. Усякий розробник, знає з практики труднощі які виникають при комутації великих струмів або високих напруг за допомогою реле. 

Для забезпечення можливості комутації індуктивних навантажень або для роботи з більшими перевантаженнями за струмом контакти реле повинні мати певну масивність і рівномірно відводити тепло від точки контакту. З цих же міркувань струмопідвід до контакту повинен мати велику поверхню для активного відведення тепла від контакту. На перехідний опір контакту його масивність не впливає, але якщо зробити контакт дуже легким, то при іскрінні або перевантаженнях за струмом він буде дуже перегріватися (до +200 °С і вище), причому без швидкого й надійного відведення тепла на виводи реле й у навколишнє середовище, що неодмінно спричинить:

- активне окислювання металу контакту (зростає опір контакту);
- перегрівання контактної пружини (струмопідводу) і втрата пружних властивостей (контакт стає нестабільним);
- перегрівання усередині корпуса реле й активне газовиділення з пластику;
- взаємодія газів з матеріалом контактів і утворення полімерних плівок на поверхні контактів (зростає опір контакту й посилюється зношення).

Отже, для контактів реле складними є навантаження, представлені в таблиці 3.

Таблиця 3


Складні навантаження для комутації кіл змінного і постійного струму

Складні додаткові навантаження для комутації кіл постійного струму

Індуктивні навантаження, що створюють перевантаження при вмиканні (електромотори, соленоїди, трансформатори тощо)

Резистивні навантаження при комутації високовольтних навантажень постійного струму

Індуктивні навантаження, що генерують високовольтну напругу самоіндукції при вимиканні

Для таких випадків комутації основне навантаження контактів реле створює перевантаження за струмом, наприклад, при розгоні електродвигунів, і за напругою - високовольтна самоіндукція характерна, наприклад, для електромагнітних клапанів.

Особливими є навантаження від ламп розжарювання: начебто вони є активними, а насправді при вмиканні холодна нитка розжарювання має в 10 разів менший опір, ніж потім, коли вона розігріта до білого розжарення. Час розігрівання нитки досить тривалий: за змінного струму тривалість прогрівання для лампи потужністю 100 Вт становить 300 мс, тому лампа розжарювання - теж складне навантаження для контактів реле. Згідно з каталогом надійне промислове реле з гарантованим ресурсом 100000 комутацій для резистивного навантаження 16 А, 250 В (4000 Вт) здатне 100000 разів ввімкнути лампу розжарювання, але потужністю 1000 Вт, тобто всього 25% від «резистивної» потужності! Причина - десятикратні перевантаження під час вмикання.

Спеціальна примітка: багато проблем комутації для контактів електромагнітного реле також залишаються проблемами й для напівпровідникових реле. Зокрема, симісторне реле на 25 А для навантажень категорії АС-1 надійно комутирує всього 7 А для «електромоторних» навантажень категорії АС-3. Таке ж зниження робочого струму вказується й для навантажень у вигляді ламп розжарювання. На рис. 4 показані перехідні процеси для різних навантажень (споживання струму як функція часу при вмиканні навантаження).

Ці перевантаження — струмові, але для індуктивних навантажень характерні перевантаження, пов'язані з напругою самоіндукції. Тут немає навантаження контактів за струмом, зате є висока напруга, що прикладається до проміжку між контактами реле. Відстань між розімкнутими контактами реле визначається тільки конструкцією реле. Що більша ця відстань, то більше часу потрібно для вмикання реле, а час вмикання завжди намагаються звести до мінімуму. Крім того, якщо при великій відстані між контактами конструктори хочуть зберегти малий час вмикання, то неминуче зростає потужність котушки й пов'язаний із цим додаткове перегрівання реле. Як завжди, перемагає розумний компроміс, і для справжніх промислових реле вибирається відстань між контактами від 0,4 до 0,8 мм.

Якщо реле зроблено правильно, контакти масивні, а струмопідведення широке, то тепло від контактів відводиться ефективно й контакти не руйнуються. На практиці зустрічаються потужні індуктивні навантаження з малим внутрішнім опором і високою добротністю. Практично це означає, що при робочій напрузі 220 В під час вимикання струму з'являється імпульсна напруга самоіндукції з амплітудою до 5 кВ. Знаючи, що пробивна напруга в повітрі становить 30 кВ/см, легко розрахувати, що напруги 5 кВ вистачить для впевненого «пробою» проміжку між контактами, що дорівнює 1,5 мм. При проміжка між контактами 0,6 мм генеруватиметься незгасаюча електрична дуга, що швидко зруйнує контакти. Але усе ще залежить і від струму комутації.

Для промислових реле в каталогах даються графіки залежності робочого струму (це струм розриву або струм вимикання) контактів від величини напруги DC навантаження.

Закінчуючи статтю, зробимо кілька практичних висновків.

1. Складні навантаження для контактів реле дуже поширені в промисловості.
2. Електромагнітне реле є зручним комутаційним елементом і поки що незамінні в промисловій автоматиці.
3. Для комутації складних навантажень за допомогою електромагнітних реле контактні групи повинні бути розраховані на великі струмові перевантаження.
4. При комутації індуктивних навантажень контакти реле повинні витримувати сильне перегрівання, зумовлене утворенням електричної дуги при вимкненні навантаження.
5. Правильно сконструйоване промислове реле здатне протистояти перевантаженням, але при виборі реле для конкретної конструкції розробникові необхідно уважно вивчити каталог і врахувати можливе зменшення комутованої потужності або електричного ресурсу.
6. Для важливих проектів необхідно відповідально поставитися до вибору реле - аж до практичного вивчення конструкції реле і його контактів.
7. Контакти реле можна захищати спеціальними схемами - конфігурація захисту залежить від конкретного застосування.

У статті використані результати випробувальної лабораторії заводу RELPOL і компанії «Элтим», з м. Санкт-Петербург.

За матерілами Всеукраїнської галузевої газети "Електротема"

http://www.eltema.com.ua/

Теги та ключові фрази
застосування електромагнітніх реле, Де застовують єлектромагнітне реле, Контакти реле?, електромагнітні реле застосування, електромагнітні реле застосування, переваги та недоліки використання електромагнітного реле автомобіля, застосовуються електромагнітні реле, де застосовують електро реле, електромагнітне реле область застосування, елекромагнітне реле недоліки


Поділіться цією інформацією в соцмережах, дякуємо за популяризацію порталу:
Також Ви можете:

Додати до закладок Підписатись Версія для друку




Інші статті
17.11.2010р.

Електричні щити 2

Електричний щит - це початок всієї електричної частини будівлі, і не важливо, що це - величезний завод у мегаполісі або скромний будиночок у селі. Скрізь є електричні щити

18.08.2010р.

Пристрій для плавного пуску електродвигуна

Одним із самих головних недоліків асинхронних електродвигунів з короткозамкненим ротором є наявність у них великих пускових струмів. І якщо теоретично методи їх зниження були добре розроблені вже досить давно, то ось практично всі ці розробки застосовувалися дуже в рідкісних випадках

Більше статей за тегами
При використанні матеріалів посилання на www.proelectro.info (для інтернет ресурсів з гіперссилкою) обов'язкове.