Твердотельное реле индуктивная нагрузка: Всё о ТТР | KIPPRIBOR твердотельные реле твердотельное реле

Современное решение для коммутации индуктивной нагрузки

Протон-Импульс

• О компании
• Услуги
• Новости
• Аналоги
• Контакты
• Вакансии

RU/ENG

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.

Наличие всех этих преимуществ позволило применить ТТР в различных отраслях производства. Так возможность организации срабатывания реле не при переходе управляющего сигнала через ноль, а при его максимальном (амплитудном) значении укрепило роль ТТР для коммутации индуктивной нагрузки. Этот процесс отличается от коммутации активной нагрузки тем, что в момент подачи сигнала начинается переходный процесс установления стационарного режима электрической цепи, при котором среднее значение тока за период равно нулю. В этом случае в цепи на время переходного процесса, которое зависит от индуктивности и сопротивления цепи (постоянной времени цепи τ=L/R), появляется постоянная составляющая электрического тока (цепь на время переходного процесса работает с подмагничиванием).

Самый не желательный момент включения это момент перехода напряжения фазы через ноль. В этом случае ток подмагничивания и, соответственно, амплитуда тока в цепи имеет максимальное значение. Такой режим может привести к насыщению сердечника (трансформатор, автотрансформатор, обмотка контактора и т. д.). И как результат, резкому уменьшению индуктивности и, соответственно, резкому увеличению тока (рис.1).

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.

коммутация мощных нагрузок / Хабр

Привет, Geektimes!

Управление мощными нагрузками — достаточно популярная тема среди людей, так или иначе касающихся автоматизации дома, причём в общем-то независимо от платформы: будь то Arduino, Rapsberry Pi, Unwired One или иная платформа, включать-выключать ей какой-нибудь обогреватель, котёл или канальный вентилятор рано или поздно приходится.

Традиционная дилемма здесь — чем, собственно, коммутировать. Как убедились многие на своём печальном опыте, китайские реле не обладают должной надёжностью — при коммутации мощной индуктивной нагрузки контакты сильно искрят, и в один прекрасный момент могут попросту залипнуть. Приходится ставить два реле — второе для подстраховки на размыкание.

Вместо реле можно поставить симистор или твердотельное реле (по сути, тот же тиристор или полевик со схемой управления логическим сигналом и опторазвязкой в одном корпусе), но у них другой минус — они греются.

Соответственно, нужен радиатор, что увеличивает габариты конструкции.

Я же хочу рассказать про простую и довольно очевидную, но при этом редко встречающуюся схему, умеющую вот такое:

• Гальваническая развязка входа и нагрузки
• Коммутация индуктивных нагрузок без выбросов тока и напряжения
• Отсутствие значимого тепловыделения даже на максимальной мощности

Но сначала — чуть-чуть иллюстраций. Во всех случаях использовались реле TTI серий TRJ и TRIL, а в качестве нагрузки — пылесос мощностью 650 Вт.

Классическая схема — подключаем пылесос через обычное реле. Потом подключаем к пылесосу осциллограф (Осторожно! Либо осциллограф, либо пылесос — а лучше оба — должны быть гальванически развязаны от земли! Пальцами и яйцами в солонку не лазить! С 220 В не шутят!) и смотрим.

Включаем:

Пришлось почти на максимум сетевого напряжения (пытаться привязать электромагнитное реле к переходу через ноль — задача гиблая: оно слишком медленное).

В обе стороны бабахнуло коротким выбросом с почти вертикальными фронтами, во все стороны полетели помехи. Ожидаемо.

Выключаем:

Резкое пропадание напряжения на индуктивной нагрузке не сулит ничего хорошего — ввысь полетел выброс. Кроме того, видите вот эти помехи на синусоиде за миллисекунды до собственно отключения? Это искрение начавших размыкаться контактов реле, из-за которого они однажды и прикипят.

Итак, «голым» реле коммутировать индуктивную нагрузку плохо. Что сделаем? Попробуем добавить снаббер — RC-цепочку из резистора 120 Ом и конденсатора 0,15 мкФ.

Включаем:

Лучше, но не сильно. Выброс сбавил в высоте, но в целом сохранился.

Выключаем:

Та же картина. Мусор остался, более того, осталось искрение контактов реле, хоть и сильно уменьшившееся.

Вывод: со снаббером лучше, чем без снаббера, но глобально проблемы он не решает. Тем не менее, если вы желаете коммутировать индуктивные нагрузки обычным реле — ставьте снаббер.

Номиналы надо подбирать по конкретной нагрузке, но 1-Вт резистор на 100-120 Ом и конденсатор на 0,1 мкФ выглядят разумным вариантом для данного случая.

Литература по теме: Agilent — Application Note 1399, «Maximizing the Life Span of Your Relays». При работе реле на худший тип нагрузки — мотор, который, помимо индуктивности, при старте имеет ещё и очень низкое сопротивление — добрые авторы рекомендуют уменьшить паспортный ресурс реле в пять раз.

А теперь сделаем ход конём — объединим симистор, симисторный драйвер с детектированием нуля и реле в одну схему.

Что есть на этой схеме? Слева — вход. При подаче на него «1» конденсатор C2 практически мгновенно заряжается через R1 и нижнюю половину D1; оптореле VO1 включается, дожидается ближайшего перехода через ноль (MOC3063 — со встроенной схемой детектора нуля) и включает симистор D4. Нагрузка запускается.

Конденсатор C1 заряжается через цепочку из R1 и R2, на что уходит примерно t=RC ~ 100 мс. Это несколько периодов сетевого напряжения, то есть, за это время симистор успеет включиться гарантированно. Далее открывается Q1 — и включается реле K1 (а также светодиод D2, светящий приятным изумрудным светом). Контакты реле шунтируют симистор, поэтому далее — до самого выключения — он в работе участия не принимает. И не греется.

Выключение — в обратном порядке. Как только на входе появляется «0», C1 быстро разряжается через верхнее плечо D1 и R1, реле выключается. А вот симистор остаётся включённым примерно 100 мс, так как C2 разряжается через 100-килоомный R3. Более того, так как симистор удерживается в открытом состоянии током, то даже после отключения VO1 он останется открытым, пока ток нагрузки не упадёт в очередном полупериоде ниже тока удержания симистора.

Включение:

Выключение:

Красиво, не правда ли? Причём при использовании современных симисторов, устойчивых к быстрым изменениям тока и напряжения (такие модели есть у всех основных производителей — NXP, ST, Onsemi, etc., наименования начинаются с «BTA»), снаббер не нужен вообще, ни в каком виде.

Более того, если вспомнить умных людей из Agilent и посмотреть, как меняется потребляемый мотором ток, получится вот такая картинка:

Стартовый ток превышает рабочий более чем в четыре раза. За первые пять периодов — то время, на которое симистор опережает реле в нашей схеме — ток падает примерно вдвое, что также существенно смягчает требования к реле и продлевает его жизнь.

Да, схема сложнее и дороже, чем обычное реле или обычный симистор. Но часто она того стоит.

power — Работа с индуктивными нагрузками

Подробный ответ на вопрос о ТТР следует за более полным рассмотрением причин неудач подрядчиков, но краткий ответ заключается в том, что требуемые ТТР будут рассчитаны на 300–400 А и 370 В. Твердотельное реле плюс теплоотвод и демпферы MOV будут примерно в 2 раза дороже, чем достаточно хороший контактор на 40 А, а монтаж проводки и механическая компоновка потребуют определенных навыков для установки.

SSR обычно рассматривается, когда реле или контактор выходит из строя, и это не всегда лучший подход к повышению надежности существующей машины. Достаточно хороший полностью дефорсированный контактор (например, контактор на 40 А для компрессора FLA на 12 А) должен выдерживать >100 000 циклов +/- 50 %.
Если система имеет (действительно чрезмерную) 10 циклов в час (6 минут между запусками), это около 80 000 циклов в год. В этот момент SSD имеет смысл, но для повышения надежности системы требуется модернизация других компонентов для запуска двигателя и запуска вентилятора конденсатора после отключения компрессора, чтобы предотвратить запуск при напоре. Если 2-тонная машина имеет рабочий цикл, который всегда превышает 10 минут и обычно дольше, и имеет контактор на 20 А или просто реле «кубик льда», то модернизированный электромеханический переключатель, вероятно, будет лучшим следующим шагом.

Также допустима проверка или модернизация системы пуска двигателя.
Неисправный пусковой или рабочий конденсатор вызовет чрезмерный пусковой ток, который создаст чрезмерную нагрузку на силовые контакты. Другие причины включают проводку или выключатель с большим падением напряжения, или слабый управляющий трансформатор 24 В, который не замыкает быстро контакты во время переходного процесса включения, что приводит к их быстрой эрозии.

Хорошие промышленные управляющие трансформаторы крупнее и стоят немного дороже, чем недорогие управляющие трансформаторы 24 В 40 ВА, но реле быстро замыкаются. Если промежуточное реле дребезжит или любое другое устройство вызывает дрожание сигнала включения питания, тогда силовые контакты дребезжат, а не замыкаются, и быстро изнашиваются.

Ремонт вышестоящего элемента управления предпочтительнее, чем немедленная установка таймера задержки включения, установленного на 1 секунду, для устранения дребезга релейного привода, но для диагностики проблемы требуется осциллограф, а конкретная модель реле может просто дребезжать, поэтому это дороже эффективен для очистки сигнала возбуждения с задержкой включения до тех пор, пока он фактически не выйдет из строя.

Двигатель компрессора запускается наиболее эффективно, если он запускается с помощью пускового реле, которое измеряет напряжение (или ток) в пусковой обмотке вместе с пусковым конденсатором правильного размера. Требуется определить правильное напряжение (или ток) срабатывания и отпускания и пусковой конденсатор для компрессора.

Существует ограниченное количество «хороших» вариантов конструкции двигателя данного размера, поэтому в аналогичной модели того же производителя, скорее всего, будут использоваться те же пусковые компоненты. Если в сервисной информации указано одинаковое сопротивление постоянному току обмоток и один и тот же рабочий конденсатор, весьма вероятно, что используются одни и те же пусковые компоненты. Некоторые/многие 3-проводные электронные пусковые реле вторичного рынка с регулируемым напряжением срабатывания/отключения не работают так, как ожидалось, и функционируют как простые пусковые реле с выдержкой времени, как и большинство пусковых реле, на которых написано «универсальное».

Простое пусковое устройство, основанное на времени, такое как PTC или 2-проводной жесткий пуск, включено для максимально возможного длительного пуска, поэтому оно почти всегда включено дольше, чем должно быть, что тратит энергию и плохо влияет как на двигатель, так и на контактор.
Слишком большое двухпроводное устройство жесткого пуска особенно наказывает. Итак, убедитесь, что вам нужны не конденсатор(ы) двигателя, улучшенный трансформатор управляющего напряжения, задержка включения для очистки управляющего привода, новое отключение питания или подача питания «хлыст», «настоящий» реле запуска двигателя или подтяжка какого-либо проводного соединения (ищите тот, который выглядит так, как будто он был приготовлен «молодец»). Если нет простой причины отказа компонента реле, проще и дешевле перейти на контактор на 40 А, чем на SSD.

SSR для обычного 2-тонного кондиционера 12A (полная нагрузка) будет включаться, чтобы раскрутить внутренний двухфазный двигатель компрессора и двухфазный двигатель вентилятора конденсатора. ТТР должен выдерживать переходные процессы включения двигателя, обычно в 8-12 раз превышающие ток полной нагрузки. Этот переходный процесс сохраняется только доли секунды, но со временем повреждает SSR меньшего размера.

Большую озабоченность вызывает переходный процесс заглохшего двигателя, который представляет собой один и тот же ток заглохшего ротора в течение 3–5 секунд, пока устройство защиты двигателя не сработает. Эти остановки компрессора происходят по разным причинам, поэтому вместо использования 50% пикового тока 144 А (72 А) для номинального тока твердотельного реле используется весь номинал 144 А. Эти события, скорее всего, произойдут либо при низкой температуре наружного воздуха из-за миграции жидкости, либо при очень высокой температуре наружного воздуха, когда простой контроль времени перезапуска может оказаться недостаточным для снижения давления в конденсаторе настолько, чтобы раскрутить стареющую машину. Твердотельное реле также должно быть снижено из-за высокой температуры окружающей среды, 50% для большинства мест, 70% в самых теплых районах, поэтому теперь целевым устройством является устройство на 288 А (300 А) или 400 А.

Цена этого компонента твердотельного реле должна быть очень близка к цене электромагнитного контактора, но необходимы теплоотвод и индуктивный фиксатор. Теплоотвод должен соответствовать паспорту SSR. MOV следует выбирать с гарантированным успокаивающим напряжением на 30 % выше пикового напряжения сети, 1,414 x 1,3 x (напряжение сети).

Если в кондиционере используется двигатель компрессора с переменной скоростью и инверторным приводом, применяется другой набор конструктивных соображений, и требуется добавление некоторой индуктивности для ограничения пускового тока, но это ответ, а не учебник, поэтому только рассматривается модернизация обычной машины. Точно так же предполагается, что переходные процессы компрессора намного больше, чем у вентилятора конденсатора, и любые регуляторы скорости вентилятора конденсатора считаются безопасными регуляторами скорости, если используется релейный контроль, например. реле давления, то может потребоваться дополнительное управление выбросами MOV на вентиляторе.

твердотельное реле — вопрос о переходе через нуль по сравнению с твердотельными реле случайного срабатывания

Если ваша схема работает нормально, она, вероятно, продолжит работать нормально. Некоторые твердотельные реле создают проблемы с большими индуктивными нагрузками, поскольку ток отстает от напряжения. Если ваш вентилятор менее пары сотен ватт, вы должны быть в порядке.

^{имитация этой схемы — схема создана с помощью CircuitLab}

• Случайный SSR обычно использует два симистора. Первый — небольшой фотосимистор. При включении светодиода включится фотосимистор, подаст ток на затвор силового симистора и включит его. Резистор R1 отводит любой ток утечки, чтобы предотвратить ложное срабатывание. Если светодиод продолжает гореть, этот SSR будет включаться после каждого пересечения нуля и оставаться включенным до следующего. Если он включен в середине цикла, он включится сразу.

Рис. 2. «Случайное» или регулируемое по фазе затемнение.

• В SSR с переходом через ноль используется та же схема оптоизоляции светодиодов, но обычно включается транзистор. Это будет передавать ток на симистор только тогда, когда напряжение на симисторе близко к нулю. См. раздел «Использование переменного тока для срабатывания симистора» для получения подробной информации о внутренней работе схемы перехода через ноль.

Рис. 3. Включение и выключение схемы перехода через нуль. Обратите внимание на полные полупериоды.

• Во всех случаях симистор остается включенным до тех пор, пока ток не упадет до нуля при следующем пересечении нуля или питание не будет отключено в другом месте.

Обратите внимание, что SSR не являются «интегральными схемами» в смысле «все на одном кристалле». Если вы предпочитаете, они представляют собой упакованные схемы с использованием нескольких компонентов, обычно помещенных в мини-корпус.

Ваши вопросы

Хорошо, в случае пересечения нуля SCR обнаруживает и знает, когда срабатывать. А как насчет случайной стрельбы?

Ваша схема управления сообщает ему, когда стрелять. Обычно для этого требуется контроль пересечения нуля, чтобы синхронизация сигнала запуска была привязана к точке пересечения нуля.

Как зажигается симистор внутри SSR?

Ответил выше. Оптопара.

Что означает случайное срабатывание, если DC все время постоянно включен?

Если постоянный ток включен все время, симистор будет срабатывать после каждого пересечения нуля.

Как часто он будет срабатывать в этом случае и вызовет ли это скачки напряжения?

Нет, потому что после первого цикла включается при нулевом напряжении. Это наименее напряжно для симистора.

Или в постоянном постоянном токе, если симистор всегда включен и срабатывания нет?

Он выстрелит.

Путаница возникает из-за того, что симистор не является транзистором и, в отличие от транзистора, он не будет включен, если его затвор всегда включен, верно?

Ссылки

• Управление фазой с помощью тиристоров от Littlefuse.
• Справочник по теории и проектированию тиристоров от ON Semiconductor.

«Случайные» SSR»

Термин «случайный» является неправильным, поскольку обычно точка срабатывания не является случайной и находится под контролем. Имеется в виду «переменная» точка срабатывания. Постоянный ток включен все время Когда переменное напряжение на U2 растет, схема перехода через ноль еще не отключила триггер Синий график показывает ток в симисторе U2 Как только он достигает значения триггера, симистор включается, напряжение на нем падает (почти) до нуля, поэтому ток срабатывания падает до нуля.0003

В вашем Рисунок 3 симистор включается как можно скорее после пересечения нуля. Это почти то же самое, что и на рис. 2.

В вашем рис. что.

Опять же, я не уверен, что вы показываете в трассировке Рисунок 5 .

Дополнительные вопросы — комментарии к тем, кого вы задали Ричарду Кроули.

1-) Действительно ли он срабатывает 100 раз в секунду при частоте переменного тока 50 Гц?

Да.

2-) Случай случайного срабатывания твердотельного реле, когда вход постоянного тока всегда включен: Сколько раз внутренний симистор будет срабатывать случайным образом? как будут формы волны?

Это не «случайно». Это переменный фазовый угол. Ваша схема управления решает, когда включить светодиод. Если вам нужна мощность 50%, вы должны обнаружить пересечение нуля и ждать 5 мс каждый полупериод перед запуском. Осциллограммы будут такими, как на моем рисунке 2.9.0003

Комментарий мне:

Я понимаю, что если я использую «произвольное срабатывание SSR», у меня все еще будет хороший переменный ток, но самый первый цикл может быть проблематичным. Это правильно? Так как остальные будут стрелять по нулям, как вы сказали?

Верно, хотя слово «проблемный» может быть преувеличением. Пересечение нуля создает минимум шума, переходных процессов, электромагнитного излучения и проще всего работает с симистором и нагрузкой.

Только оптотриак

Рисунок 4. Ссылка на ОП в комментарии.

В этой простой схеме светодиод постоянно питается. Опто-симистор находится в непрерывном режиме проводимости (после того, как напряжение поднимется достаточно высоко, чтобы он включился).