Для коммутации нагрузок в различном оборудовании обычно используются контакторы и реле. Всем известны основные минусы этих устройств – подгорание контактов и наличие подвижных частей. От этих недостатков полностью свободны Твердотельные реле (ТТР), которые всё шире и шире используются в промышленном оборудовании.
В статье рассмотрим подключение и электрическую защиту твердотельных реле, а также различные примеры применения.
Варианты использования
ТТР имеет смысл ставить там, где нет возможности контролировать работоспособность обычных электромеханических реле. Да, ТТР дороже, но основное их преимущество – «поставил и забыл». Часто их ставят для коммутации индуктивной нагрузки (электромагниты), для которой обычные реле подходят слабо – контакты подгорают быстро, нужно их чистить или менять. Либо ставить реле на заведомо больший ток работы.
Другой вариант использования ТТР – включение мощной нагрузки типа ТЭНов, когда мощные контакторы прослужат недолгое время из-за частых включений-выключений. Такое бывает в случае, когда нужно точное поддержание температуры, а для этого устанавливают небольшую ширину петли гистерезиса.
Как и в случае с контакторами и реле, ТТР легче работать, когда нагрузка чисто активная (АС1), то есть не содержит индуктивности (cosφ стремится к 1). Тогда он легко может коммутировать ток, указанный на его корпусе. В большинстве же случаев нагрузка является частично реактивной (cosφ = 0,7-0,8), поэтому ток ТТР нужно всегда выбирать с запасом.
Запас по току нужен также и для надежной работы системы защиты, но об этом расскажем чуть позже.
Коммутация ТЭНа нагревателя
В этом примере, как мы уже отмечали выше, ТТР работает в самом простом режиме – коммутация напряжения питания 220 В для ТЭНа. Реле рассчитано на ток 40 А, для однофазного напряжения 220 В это означаем максимальную мощность 8,8 кВт.
Однако, в целях повышения надежности в данном случае никто не будет подключать через ТТР ТЭНы мощностью 8 кВт. Обычно, даже в этом случае выбирают запас 50 %, не менее. В данном примере применяется ТЭН на 1,5 кВт. Защита обеспечивается автоматическим выключателем с номинальным током 10 А.
Управление твердотельными реле
Фактически ТТР – это управляемый коммутатор. В каком-то смысле, обычный транзистор является твердотельным реле – при подаче управляющего сигнала он открывается, и пропускает ток в нагрузку.
В ТТР в более чем 90% случаев в качестве управляющего сигнала нужно постоянное напряжение. Диапазон напряжений – от 3 до 35 В, и может быть разным для разных моделей и производителей..
В редких случаях (в зависимости от модели) в качестве управляющего сигнала применяют переменное напряжение (порядка 100…250 В), токовый сигнал 4…20 мА, либо для управления используют обычный потенциометр.
Схема подключения проста, и обычно приводится на корпусе ТТР:
Приведенная схема включения твердотельного реле является наиболее распространенной. На управляющий вход ТТР подается постоянное напряжение порядка 12…24 В. Подача напряжения производится от внешнего источника питания через любой подходящий коммутирующий элемент – кнопка, переключатель, транзистор, реле. На работу ТТР не оказывает влияния схема включения и принцип действия схемы на его входе. Важен лишь сам факт подачи напряжения нужного значения и полярности.
В ТТР с управляющим сигналом в виде переменного напряжения принцип работы аналогичный.
В большинстве моделей ТТР реализована светодиодная индикация подачи управляющего сигнала, что позволяет «на лету» отслеживать и анализировать работу ТТР.
Силовая часть ТТР
Эта важная часть ТТР коммутирует ток нагрузки.
Входная и выходная части твердотельного реле гальванически развязаны при помощи оптопары. Твердотельное реле не имеет отдельного источника питания. И если входная часть ТТР питается от входного источника питания, то выходная часть питается через нагрузку, получая питание при условии, что эта нагрузка подключена.
Таким образом, если нагрузка имеет высокое сопротивление, с одной стороны, это хорошо – меньше ток через реле, и оно меньше испытывает перегрузки, работая с большим запасом. Но если этот ток продолжить уменьшать, ТТР просто не сможет работать – хотя, входная индикация будет показывать, что всё нормально.
Коммутация индуктивной нагрузки
С индуктивной нагрузкой (как правило, это электромагнит), не так всё просто.
В этом случае нужно учитывать переходные процессы в моменты включения и выключения ТТР. В эти моменты возможны всплески напряжения, которые могут привести к неприятным последствиям, например – «зависание» ТТР в открытом или закрытом состоянии, которое снимается перезапуском питания. Самый неприятный вариант – ТТР может полностью выйти из строя, при этом оно может остаться в опасном включенном состоянии.
Существуют особенности при подключении индуктивной нагрузки типа электромагнитов. Производители рекомендуют выбирать пару ТТР-электромагнит таким образом, чтобы ток нагрузки был не более чем 10% от максимально допустимого тока ТТР. Это обусловлено возможной нестабильностью работы. Кроме того, при коммутации постоянного тока рекомендуется параллельно нагрузке подключать обратно включенный диод.
Защита
Большинство производителейрекомендуют в качестве защиты устанавливать быстродействующие предохранители. Это нужно для того, чтобы в случае перегрузки или короткого замыкания нагрузки не произошло поломки ТТР.
Однако, поскольку стоимость таких предохранителей сопоставима со стоимостью самого ТТР, существует вариант установки вместо предохранителей защитных автоматов. Причем, производители рекомендуют только защитные автоматы с время-токовой характеристикой типа «В».
Чтобы пояснить принцип защиты, рассмотрим известные графики время-токовых характеристик автоматических выключателей:
Из графика видно, что при превышении тока защитного автомата с характеристикой «В» более чем в 5 раз время его выключения – около 10 мс (пол периода напряжения частотой 50 Гц).
Читайте также: Не горит задний габарит на поло седан
Из этого можно сделать вывод, что для того, чтобы иметь большие шансы по сохранению работоспособности ТТР в случае КЗ, нужно применять защитные автоматы с характеристикой «В». При этом нужно соответственно рассчитывать токи нагрузки и защитного автомата в зависимости от максимального тока твердотельного реле.
Пример неправильной защиты ТТР
Случаются грубые ошибки в проектировании систем на ТТР. Пример – электронагреватель приточной вентиляции мощностью 18,5 кВт, питаемый через трехфазное твердотельное реле с рабочим током 25 А. Основная проблема в том, что защищается это ТТР через автоматический выключатель с номинальным током 25 А и время-токовой характеристикой С.
Даже в случае частичного превышения рабочего тока (например, до 35 А) в первую очередь выгорит ТТР, при этом время отключения защитного автомата – около 1 часа.
Перейти к каталогу Твердотельных реле KIPPRIBOR
Перейти к Помощнику подбора твердотельных реле KIPPRIBOR
Перейти к каталогу Радиаторы для твердотельных реле KIPPRIBOR
Роль твердотельных реле (SSR) в современных системах автоматики высока. В последние годы в различных областях техники (в автомобильной электронике, системах связи, бытовой электронике и промышленной автоматике) идет переход от построения систем коммутации на обычных электромагнитных реле, пускателях и контакторах к удобным, надежным способам коммутации с помощью твердотельных полупроводниковых реле.
Что нужно знать о твердотельных реле? Где применяется и как оно устроено? Ответы на эти вопросы Вы найдете на страницах нашего портала.
Твердотельное реле (ТТР) – это класс современных модульных полупроводниковых приборов, выполненных по гибридной технологии, содержащих в своем составе мощные силовые ключи на симисторных, тиристорных либо транзисторных структурах. Они с успехом используются для замены традиционных электромагнитных реле, контакторов и пускателей. Обеспечивают наиболее надежный методо коммутации цепей.
Токи
Классификация ТТР KIPPRIBOR по типу коммутируемой сети
ТТР для коммутации однофазной сети:
- могут использоваться для коммутации трехфазной сети при использщовании одного однофазного ТТР на каждую фазу; позволяют осуществлять коммутацию нагрузки с любой схемой включения («Звезда», «Звезда с нейтралью» и «Треугольник»). Применение отдельного ТТР для каждой из 3-х фаз повышает надежность коммутации, а, следовательно, и всей системы управления в целом; позволяют коммутировать нагрузку резистивного и индуктивного типа;
ТТР для коммутации трехфазной сети:
- Позволяют осуществлять коммутацию нагрузки с любой схемой включения («Звезда», «Звезда с нейтралью» и «Треугольник») позволяют коммутировать нагрузку только резистивного типа.
Токи утечки
В общем случае ток утечки – это ток, который протекает в землю или на сторонние проводящие части в электрической неповрежденной цепи.
Применительно к твердотельным реле ток утечки — это ток присутствующий в цепи нагрузки даже при отсутствии на твердотельном реле управляющего напряжения. Ток утечки в твердотельном реле обусловлен наличием встроенной RC-цепочки параллельно цепи нагрузки, через которую протекает ток, даже когда коммутационный элемент твердотельного реле находится в «выключенном состоянии».
RC-цепочка (снабберная RC цепь)
RC-цепочка (снабберная RC цепь) – электрическая цепь из последовательно включенных емкости (конденсатора) и сопротивления (применительно к твердотельным реле). RC — цепочка повышает надежность работы ТТР в условиях действия импульсных помех (перенапряжений) и ограничивает скорость нарастания напряжения на коммутационном элементе, что особо важно при коммутации индуктивной нагрузки.
Типы нагрузок твердотельных реле. Общая классификация
Резистивная нагрузка – электрическая нагрузка в виде сопротивления (резистора), на котором происходит преобразование электрической энергии в тепловую.
К такой нагрузке относится большинство типов нагревателей (ТЭНов). Нагрузка этого типа характеризуется относительно низкими пусковыми токами, что позволяет использовать для их коммутации ТТР с минимальным запасом по току (как правило с запасом в 25%). Но есть исключения, яркий пример — лампы накаливания, хоть и являются по сути резистивной нагрузкой, имеют достаточно высокие пусковые токи (до 12*Iном), что обусловлено очень большим разбросом сопротивления нихромовой спирали при разных температурах.
ТЭН – нагреватель в виде металлической трубы, заполненный теплопроводящим электрическим изолятором в центре которого установлена нагревательный элемент определенного сопротивления. В качестве нагревательного элемента обычно используется нихромовая нить. ТЭН относится к нагрузке резистивного типа с малыми пусковыми токами.
Индуктивная нагрузка – электрическая нагрузка с большой индуктивной составляющей.
К такой нагрузке относятся электрические аппараты в составе которых имеются электрические катушки либо обмотки: соленоиды клапанов, трансформаторы, электродвигатели, дроссели и пр.
Особенностью индуктивной нагрузки являются высокие потребляемые токи при её включении (пусковые токи), вызванные переходными электрическими процессами. Пусковые токи высоко-индуктивной нагрузки могут превышать номинальный ток в несколько десятков раз и быть достаточно длительными, поэтому при применении ТТР для коммутации индуктивной нагрузки необходимо выбирать номинал ТТР с учетом пусковых токов нагрузки.
Классификация ТТР KIPPRIBOR по диапазону коммутируемого напряжения
- Стандартный диапазон коммутации:
40…440 VAC — этот широкий диапазон коммутируемого напряжения (в сети переменного тока) позволяет использовать твердотельные реле для управления нагрузками в различных областях промышленности;
- Диапазон коммутации постоянной нагрузки:
в серии HDxx25DD3 используется диапазон коммутируемого напряжения 20…250 VDC для коммутации нагрузки постоянного тока;
- Диапазоны регулирования напряжения при управлении нагрузкой:
— в серии HDxx44VA используется диапазон регулирования нагрузки 10…440 VAC для регулирования напряжения с помощью внешнего переменного резистора ;
— в серии HDxx2210U используется диапазон регулирования напряжения 10…220 VAC.
Класс по напряжению – применительно к полупроводниковым приборам (тиристорам) обозначает максимально допустимое значение повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии и максимально допустимое значение обратного напряжения приложенного к полупроводниковому элементу. Класс по напряжению обычно маркируется цифрами в виде количества сотен вольт, например 9-й класс по напряжению будет означать, что данный полупроводниковый элемент выдерживает максимальное пиковое напряжение 900 Вольт. Для сети питания с номинальным напряжением 220В, рекомендательно использовать полупроводниковые элементы не ниже 9-го класса по напряжения.
Читайте также: Нечетные числа до 1000 через запятую
ТТР KIPPRIBOR для коммутации больших можностей серий BDH и SBDH имеют 11 и 12 класс напряжения, что позволяет им выдерживать очень значительные перегрузки.
Классификация твердотельных реле KIPPRIBOR по типу управляющего сигнала
- управление напряжением постоянного тока (3…32 В); управление напряжением переменного тока (90…250 В); ручное управление выходным напряжением с помощью переменного резистора (470-560 кОм, 0,25-0,5 Вт); аналоговое управление выходным напряженим с помощью унифицированного сигнала напряжения 0…10В
Различные варианты управляющих сигналов позволяют применять твердотельные реле в качестве коммутационных элементов в разнотипных системах автоматического управления.
Классификация твердотельных реле по способу коммутации
Твердотельные реле с контролем перехода через ноль применяются для коммутации:
- резистивных (электрические нагревательные элементы, лампы накаливания), емкостных (помехоподавляющие сглаживающие фильтры, имеющие в своем составе конденсаторы) и слабоиндуктивных (катушки соленоидов, клапанов) нагрузок.
При подаче управляющего сигнала, напряжение на выходе такого реле появляется в момент первого пересечения линейным напряжением нулевого уровня. Это позволяет уменьшить начальный бросок тока, снизить уровень создаваемых электромагнитных помех и, как следствие, увеличить срок службы коммутируемых нагрузок.
Недостатком реле данного типа является невозможность коммутации высокоиндуктивной нагрузки, когда cos φ >
Серии KIPPRIBOR HDхх44ZD3 и HDхх44ZA2 общепромышленные ТТР в стандартном корпусе. Однофазные универсальные твердотельные реле для коммутации в наиболее распространенных в промышленности диапазонах токов нагрузки (резистивной до 30 А, индуктивной до 4 А) для коммутации однофазной или трехфазной нагрузки с любой схемой включения («Звезда», «Звезда с нейтралью» и «Треугольник»). >>
Серия KIPPRIBOR HDхх25DD3 ТТР для коммутации цепей постоянного тока. Однофазные тердотельные реле (ТТР) для коммутации цепей нагрузки постоянного тока (резистивной до 30 А, индуктивной до 4 А), а также для усиления сигнала при подключении нескольких ТТР к одному регулирующему прибору с небольшой нагрузочной способностью его выхода. >>
Серии KIPPRIBOR HDxx44VA и HDxx2210U ТТР для непрерывного регулирования напряжения. Однофазные тердотельные реле (ТТР) для непрерывного регулирования напряжения питания резистивной нагрузки до 30 А в диапазоне от 10 В до номинального значения пропорционально входному сигналу.
Типы управляющих сигналов:
• переменный резистор 470 кОм, 0,5 Вт для HDxx44VA;
• унифицированный сигнал напряжения 0…10В для HDxx2210U. >>
Серии KIPPRIBOR SBDHxx44ZD3 (малогабаритные) и BDHxx44ZD3 для коммутации мощной нагрузки в корпусе промышленного стандарта. Однофазные тердотельные реле (ТТР) для коммутации цепей питания мощных нагрузок резистивного и индуктивного типа в однофазной или трехфазной сети. Перекрывают самый большой на сегодняшний день в России диапазон токов нагрузки. >>
Серия KIPPRIBOR HDHxx44ZD3 для коммутации мощной нагрузки в стандартном корпусе. Однофазные общепромышленные тердотельные реле (ТТР) для коммутации цепей питания мощных нагрузок в однофазной или трехфазной сети (резистивной до 90 А, индуктивной до 12 А). >>
Серии KIPPRIBOR HTхх44ZD3 и HTхх44ZA2 трехфазные ТТР для коммутации резистивной нагрузки. Трехфазные общепромышленные тердотельные реле (ТТР) для коммутации резистивной нагрузки (до 90 А) трехфазной либо трех однофазных цепей питания нагрузки. Обеспечивают одновременную коммутацию по каждой из 3-х фаз. >>
Рекомендации по выбору твердотельных реле
Нагрев реле при коммутации нагрузки обусловлен электрическими потерями на силовых полупроводниковых элементах. Но увеличение температуры накладывает ограничение на величину коммутируемого тока. Чем выше температура реле, тем меньший ток оно способно коммутировать. Достижение температуры в 40 0С не вызывает ухудшения рабочих параметров устройства. При нагреве реле выше 60 0С допускаемая величина коммутируемого тока сильно снижается. Нагрузка в этом случае может отключаться не полностью, а реле перейти в неуправляемый режим работы и выйти из строя.
Следовательно, при длительной работе реле в номинальных, и особенно, «тяжелых» режимах (при длительной коммутации токов свыше 5 А) требуется применение радиаторов или воздушного охлаждения для рассеивания тепла. При повышенных нагрузках, например, в случае нагрузки «индуктивного» характера (соленоиды, электромагниты и т. п.), рекомендуется выбирать реле с большим запасом по току — в 2-4 раза, а в случае применения твердотельных реле для управления асинхронным электродвигателем необходим 6-10 кратный запас по току.
При работе с большинством типов нагрузок включение реле сопровождается скачком тока различной длительности и амплитуды, величину которого необходимо учитывать при выборе реле.
Для более широкого класса нагрузок можно отметить следующие величины пусковых перегрузок:
- чисто активные (нагреватели) нагрузки дают минимально возможные скачки тока, которые практически устраняются при использовании реле с переключением в «0»; лампы накаливания, галогенные лампы при включении пропускают ток в 7…12 раз больше номинального; флуоресцентные лампы в течение первых секунд (до 10 с) дают кратковременные скачки тока, в 5…10 раз превышающие номинальный ток; ртутные лампы дают тройную перегрузку по току в течение первых 3-5 мин.; обмотки электромагнитных реле переменного тока: ток в 3…10 раз больше номинального в течение 1-2 периодов; обмотки соленоидов: ток в 10…20 раз больше номинального в течение 0,05 0,1 с; электродвигатели: ток в 5…10 раз больше номинального в течение 0,2 0,5 с; высокоиндуктивные нагрузки с насыщающимися сердечниками (трансформаторы на холостом ходу) при включении в фазе нуля напряжения: ток в 20…40 раз больше номинального в течение 0,05 0,2 с; емкостные нагрузки при включении в фазе, близкой к 90°: ток в 20…40 раз больше номинального в течение времени от десятков микросекунд до десятков миллисекунд.
Читайте также: Как поменять ttl на xiaomi
Способность твердотельных реле выдерживать токовые перегрузки характеризуются величиной «ударного тока». Это амплитуда одиночного импульса заданной длительности (обычно 10 мс). Для реле постоянного тока эта величина обычно в 2 – 3 раза превосходит значение максимально допустимого постоянного тока, для тиристорных реле это соотношение около 10.
Для токовых перегрузок произвольной длительности можно исходить из эмпирической зависимости: увеличение длительности перегрузки на порядок ведет к уменьшению допустимой амплитуды тока.
Выбор номинального тока твердотельного реле для конкретной нагрузки должен заключаться в соотношении между запасом по номинальному току реле и введением дополнительных мер по уменьшению пусковых токов (токоограничивающие резисторы, реакторы и т. д.).
Для повышения устойчивости твердотельного реле к импульсным помехам параллельно коммутирующим контактам ТТР имеется внешняя цепь, состоящая из последовательно включенных резистора и емкости (RC-цепь). Для более полной защиты от источника перегрузки по напряжению со стороны нагрузки необходимо включить защитные варисторы параллельно каждой фазе твердотельного реле.
При коммутации индуктивной нагрузки использование защитных варисторов обязательно. Выбор необходимого наминала варистора зависит от величины напряжения питающего нагрузку, и осуществляется исходя из условия:
Тип используемого варистора определяется на основе конкретных характеристик работы реле. Наиболее распространенными сериями отечественных варисторов являются: СН2-1, СН2-2, ВР-1, ВР-2.
Твердотельное реле обеспечивает надежную гальваническую изоляцию входных и выходных электрических цепей друг от друга, а также токоведущих цепей от элементов конструкции прибора, поэтому применение дополнительных мер изоляции цепей не требуется.
Таблица помощи в подборе твердотельного реле KIPPRIBOR. >>
Радиаторы для твердотельных реле KIPPRIBOR
Выбор радиаторов KIPPRIBOR РТР
Радиаторы охлаждения KIPPRIBOR РТР представлены несколькими моделями, отличающимися между собой габаритно-техническими характеристиками. Точный расчет требуемого радиатора охлаждения для конкретного случая применения ТТР — процесс непростой и связан с большим количеством математических вычислений.
Однако, большинство применений твердотельных реле – типовое (установка в вертикальный шкаф, нагрузка – нагревательные элементы). В этом случае можно упростить выбор радиатора, используя Таблицу «Выбор радиатора для ТТР».
ГЛАВНОЕ ПРАВИЛО ВЫБОРА РАДИАТОРА
При выборе радиатора охлаждения необходимо руководствоваться:
— в первую очередь, способностью радиатора рассеивать тепло;
— и только потом уделять внимание габаритным характеристикам.
ГЛАВНОЕ ПРАВИЛО МОНТАЖА РАДИАТОРА
Расположение ребер охлаждения радиатора всегда должно соответствовать направлению потоков движения воздуха – т. е. радиатор всегда должен быть расположен таким образом, чтобы его ребра охлаждения были параллельны потокам воздуха (естественным – снизу вверх или в соответствии с расположенным радом искусственным источником образования потоков воздуха).
Монтаж радиаторов РТР осуществляется на плоскость.
Появление полупроводников оказало огромное влияние на развитие электроники: габаритные размеры, как и цена компонентов, уменьшились в разы. Диоды и транзисторы стали внедряться повсеместно. Одной из таких отраслей стала релейная техника, которая благодаря полупроводникам значительно расширила диапазон применения.
Использование полупроводников привело к появлению нового класса релейной техники — твёрдотельным реле (ТТР). Так, если в электромеханических реле для размыкания (замыкания) цепи использовался механический контакт, то в новом классе устройств эту функцию взяли на себя транзисторы и тиристоры (симисторы). Данная замена позволила уйти от ряда существенных недостатков электромеханических реле, таких как: дребезг контактов, возникновение дугового разряда при переключении, высокое время переключения и низкая надёжность. Помимо этого применение цепи обвязки позволило добавить «интеллект» реле, т.е. реализовать ряд сервисных функций: контроль перехода через ноль, наличие статусного сигнала и т.д. Причём всё это имеет достаточно компактный размер. Применение полупроводников также позволило уйти от электромагнитной развязки, заменив её оптоэлектронной, что позволило увеличить помехозащищённость.
Рисунок 1 — переходной процесс при включении реле при переходе напряжения фазы через нуль. τ — постоянная времени электрической цепи.
Этого можно избежать, если включить реле при максимальном амплитудном Um) значении переменного напряжения (рис. 2). Как видно из графика, это достигается по средствам сдвига фаз тока относительно напряжения на 90˚.
Рисунок 2 – переходной процесс при включении реле при переходе напряжения фазы через максимальное значение Um.
Одним из вариантов решения данной задачи является использование полупроводникового оптоэлектронного однофазного реле переменного тока РПТ-90, с включением при максимальном (амплитудном Um) значении переменного напряжения, выпускаемое отечественной фирмой ЗАО «Протон-Импульс» (рис. 3). Реле выполнено в монолитном корпусе с габаритами 58,4х45,7х23.
Рисунок 3 – Габаритные и присоединительные размеры модуля
Реле предназначено для подключения активной и активно-индуктивной нагрузки (трансформатор. автотрансформатор, электромагнитный контактор и т.д.) к сети переменного тока частотой f=50-60Гц, напряжением Uд=100-400В. В качестве управляющего может служить переменное напряжение от 7 до 278 В. Схема включения изображена на рисунке 4.
Рисунок 4 – Схема включения реле РПТ-90
Данное реле является универсальным, имеет защиту IP 54 и позволяет коммутировать как активную, так и индуктивную нагрузку на ток до 63 А. Технические характеристики реле представлены в таблице 1.
Таблица 1. Основные параметры РПТ-90
Выводы:
Помимо перечисленных достоинств ТТР обладают повышенной надёжностью и временем работы, что делает представленное реле универсальным решением для задачи коммутации цепи на активную и индуктивную нагрузку.
