Головна Статті Промышленные твердотельные реле и контакторы

Промышленные твердотельные реле и контакторы

25.10.13

Растут требования к характеристикам интерфейсов между электронными цепями управления и силовыми цепями исполнительных устройств в системах промышленной автоматизации. Подобная организация систем управления получает всё большую популярность. Интерфейс должен гальванически изолировать нагрузку, не создавать дополнительных помех в схеме управления и линии нагрузки. Он также должен быть простым в использовании, иметь малые габариты, быть способным переключать большие нагрузки. Таким требованиям в наиболее полной мере отвечают так называемые твердотельные реле (ТТР) или по зарубежному наименованию, SSR (Solid State Relay), применяемые для управления электромагнитами, двигателями, лампами, датчиками и пр., входящими в состав любого промышленного оборудования. В статье рассматриваются преимущества, надёжность, устройство и работа, а также применение и критерии правильного выбора твердотельных реле и контакторов на примере продукции известной итальянской фирмы Carlo Gavazzi Automation Components.

Надежность ТТР

Элементы ТТР с оптически развязан- ным входом распределены в толще залитого компаундом корпуса и не имеют подвижных механических частей по сравнению с электромагнитными реле (ЭМР) и контакторами, поэтому они более устойчивы к сильной вибрации и ударам. При обеспечении необходимого рабочего температурного диапазона ТТР, а также корректном обеспечении защиты от коротких замыканий в нагрузке, количество циклов включения/выключения может превышать 1 млрд. срабатываний. Практически все разновидности ТТР обладают герметичной конструкцией, а значит ни песок, ни пыль, ни агрессивные химические среды не способны нарушить бесперебойную работу и разрушить само реле. В ТТР от Carlo Gavazzi достигается оптимизированный отвод выделяющейся тепловой энергии благодаря применению технологии DCB "Direct Copper Bonding" – "Прямое Соединение c Медной подложкой", (рис. 1). Эта технология позволяет устранить тепловую усталость между кристаллом (кремний) и терминалами (медь). Кроме того, это уменьшает тепловое сопротивление между p-n переходом и окружающей средой. DCB подложка, на которую нанес ён кристалл, состоит из керамического изолятора (Al2O3) со слоем меди (Cu) с обеих сторон. Керамический материал изолятора и медь, окружающая его, состоят в равных условиях теплового расширения. Таким образом, механическое напряжение между кремниевым кристаллом и медью будет минимизировано даже в то время, когда реле находится в работе при максимальной нагрузке с интенсивным выделением тепла. Керамический материал обеспечивает изоляцию между медной подложкой и теплоотводящей пластиной - 4 kV.

Рис. 1. Технология "прямого соединения с медной подложкой"

Особенности

Высококачественная опторазвязка гарантирует гальваническое разделение между входом управления и силовой цепью. Реле способны выдерживать высокое напряжение развязки вход-выход >2000 Vp. Функция переключения ТТР, которая должна быть подобрана согласно типу нагрузки, реализована на основе классических управляющих схем и силового каскада. Благодаря применению специальной конфигурации выходного каскада, коммутация индуктивной нагрузки осуществляется без проблем. Из-за отсутствия контактов не возникает ни подгорания, ни дребезга, ни электрической дуги (размыкание происходит с нулевым током), а значит, ТТР можно использовать во взрывоопасной среде! Используя твердотельные реле, можно избежать акустического шума, издаваемого его электромагнитными аналогами, что часто бывает необходимо при применении реле в области медицины, телекоммуникации, промышленном, офисном и бытовом оборудовании. ТТР имеют очень низкое потребление управляющей энергии, даже при коммутировании очень мощной нагрузки (малый входной ток, исчисляемый единицами миллиампер). Следовательно, большинство ТТР совместимы с логическими компонентами структур КМОП, ТТЛ, микропроцессоров или аналоговых схем. Логическая совместимость особенно важна, так как ТТР часто непосредственно управляются с выходов программируемых модулей (PLCs) или других логических схем, таких как схемы ФАПЧ, регуляторы, всевозможные датчики и т. п. Таким образом, можно добиться переключения мощного выхода ТТР с помощью тока управления менее 10 mA при напряжении 24 VDC.

Производительность

Большая частота переключений, быстрое время срабатывания и отсутствие дребезга позволяет заметно увеличить эффективность производственного процесса. Высокий срок службы при этом обеспечивается благодаря широкому применению DCB технологии, о которой уже было сказано выше. Благодаря DCB обеспечивается более низкий перепад температур на границах подложек, что увеличивает срок службы ТТР.

Устройство

Что же такое полупроводниковое реле? ТТР состоит из нескольких главных блоков: силовой ключ, входная оптоэлектронная развязка, детектор контроля момента перехода через ноль. Для коммутации переменного тока силовым ключом обычно является симистор или включенные встречно-параллельно тиристоры, расположенные на разных подложках (антипараллельный тиристор), либо, так называемый альтернистор, представляющий из себя антипараллельный тиристор и логический элемент – однокристальный симистор. Для работы с нагрузкой постоянного тока используется мощный транзистор. Силовой ключ часто содержит также дополнительные цепи, предназначенные для понижения уровня помех, излучаемых ТТР – RC-цепи или варистор, одновременно являющийся элементом защиты силового блока от внезапных перенапряжений в линии нагрузки. Оптоэлектронная развязка нечувствительна ко всем типам нагрузки и обеспечивает изоляцию входных цепей от исполнительной схемы с сопротивлением изоляции 10'° Ом и напряжением пробоя 4000 Вольт. В составе входной цепи имеется ограничитель тока через светодиод индикации состояния и светодиод оптопары. Включение реле происходит, в зависимости от типа прибора, при появлении постоянного напряжения (от 3 до 32В, 24… 48В) или переменного напряжения (от 90 до 280В, 24… 265В, 18… 36В, 50/60Гц). Существует также возможность контроля реле при помощи тока 4… 20мА или напряжением 0… 10В (для реле с управлением по полному циклу импульса). Входное сопротивление составляет от нескольких десятков кОм. В зависимости от предназначения выпускаются полупроводниковые реле, силовой ключ которых способен коммутировать постоянный (1 до 5А) и переменный (1 до 110А) ток при напряжении до 660 Вольт. Эти реле выдерживают перегрузки по току: от двукратного (t=1 s) до 20-кратного номинального значения (t=10 ms), а также двукратные перегрузки по напряжению.

Работа

Цепь контроля фазы в нагрузке определяет режим управления ТТР в зависимости от сигнала на выводах твердотельного переключателя. ТТР по методу коммутации нагрузки отличаются следующим образом:

  • с функцией переключения при переходе через "0" (Zero Switching);
  • с мгновенным включением (Instant-on Switching);
  • включение при пиковом значении (Peak Switching);
  • реле с аналоговым управлением по полному циклу импульса (Analog Full Cycle Switching);
  • с управлением по фазовому сдвигу (Analog Switching);
  • коммутация цепей постоянного тока.

Преимущество реле с функцией переключения при переходе через "0" — способность их ключевого элемента переключаться в ограниченном диапазоне напряжения, вблизи нуля сети (не более ±15 В). Это позволяет уменьшить бросок тока, а следовательно, электромагнитное излучение, резистивных нагрузок (например, лампы, нагревательные элементы) и, как следствие, увеличить срок их службы. Силовой твердотельный переключатель включается и подает напряжение на нагрузку по сигналу с цепи контроля фазы в нагрузке, то есть, по достижению зоны нуля для реле с функцией переключения при переходе через "0", мгновенно после поступления управляющего сигнала (для реле с мгновенным включением). Размыкание силового ключа при пропадании управляющего сигнала происходит при нулевом токе, что снижает риск перенапряжений в цепи и, следовательно, связанные с этим помехи. RC-цепь, установленная на выходе ТТР, дополнительно снижает уровень возникающих помех, хотя ограничивает скорость нарастания напряжения (dV/dt) на выводах реле, тем самым, способствуя повышению устойчивости к скорости изменения напряжения и отсутствию сбоев. Имеющийся на выходе варистор ограничивает напряжение на выводах переключателя, что делает изделия устойчивыми к скачкообразным изменениям напряжения. Габаритная рассеиваемая мощность устанавливаемых защитных элементов обеспечивает достаточную стойкость к многочисленным перегрузкам. Применение - резистивная, индуктивная или емкостная нагрузка.

Силовой ключ ТТР с мгновенным включением активизируется немедленно после приложения напряжения управления. Следовательно, это реле может включать нагрузку в любой точке синусоидальной кривой напряжения. Типичное время срабатывания - менее 1 ms. Реле со свойствами такой функции, по существу, включаются мгновенно. Этот тип подходит для индуктивной нагрузки, особенно уместно применять в приложениях, где необходимо либо короткое время срабатывания, либо необходим контроль угла сдвига фаз на нагрузке (в измерительных системах).

Тип реле с включением при пиковом значении разработан для цепей с большой индуктивной нагрузкой. В этом случае отдаваемая в нагрузку мощность активизируется в первом ближайшем пике напряжения сети после прикладывания напряжения управления на входе. После прохождения первого полупериода ТТР работает как обыкновенное реле с коммутацией в момент перехода через "0". Применение - индуктивная нагрузка с сердечниками с высокой индуктивностью насыщения, трансформаторы.

Реле с аналоговым управлением по полному циклу импульса – специфическая разновидность полупроводниковых реле. Применяются в нагревательных системах оборудования с плавным ручным или автоматическим управлением. Особенно подходит для применения в тех областях, где необходима высокая точность достижения и поддержания заданной температуры. Регулирование мощности происходит за счет изменения количества полных единичных циклов (т. е. периодов), являющихся отрезками синусоидальной кривой линейного напряжения с началом и концом в нулевом значении напряжения. Число этих циклов за единицу времени прямо пропорционально зависит от напряжения (или тока, в зависимости от типа управляющего входа). Процесс управляется микроконтроллером, имеющимся в составе такого реле. Количество подаваемых на нагрузку импульсов поддерживается постоянным для конкретного значения входной величины. При изменении управляющего сигнала в большую (меньшую) сторону, количество импульсов, проходимых на нагрузку, также изменяется соответственно в большую (меньшую) сторону. Подсчет импульсов постоянно ведется микроконтроллером за отрезок времени 1,28 секунд (для частоты сети 50 Гц). При прикладывании ко входу 10V DC (20 mA соответственно) – на нагрузке оказывается максимальное число импульсов, при 0V DC (4 mA соответственно) – импульсов нет. Таким методом достигается высокая точность регулирования температуры. Ещё одно достоинство подобного регулятора мощности – полное отсутствие электромагнитных помех, т. к. каждый импульс начинается и заканчивается в моменты перехода напряжения через ноль.

На вход реле с управлением по фазовому сдвигу (с аналоговым переключением) подаётся изменяющаяся величина – 4(0)…20 mA DC. Выходной каскад работает по принципу фазового регулирования. Выходная мощность, выделяемая на нагрузке, пропорциональна току на входе. Передаточная функция – линейная, безынерционная. Основное применение – нагревательные элементы, управляемые терморегуляторами с унифицированным типом сигнала выхода 4(0)…20 mA. Наиболее выгодно применение такого рода реле в системах с регулированием по замкнутой обратной связи или, где необходимо плавное нарастание или спад мощности.

ТТР, предназначенное для коммутации в цепях постоянного тока, включает нагрузку в точном соответствии с появлением напряжения на входе управления. Время срабатывания - менее 100 μs. Такого класса полупроводниковые реле используются совместно с активными или индуктивными нагрузками для управления двигателями постоянного тока, электрическими клапанам и др. При коммутировании индуктивной нагрузки необходимо применять диод, защищающий выходной каскад от всплесков, включенный встречно-параллельно относительно напряжения питания нагрузки.

Ряд выпускаемых реле

ТТР производятся от 1-полюсных для установки на печатную плату (1… 6А) или на шасси (5… 110 А), до трёхфазных (10… 55 А) для установки на монтажные шины и приспособленных для подключения трёхфазных двигателей.

1-фазные полупроводниковые реле для печатного монтажа

Включают в себя компактные реле серий RP и RAP (рис. 2). Тип RAP - со встроенной светодиодной (LED) индикацией, RP1 выпускается с функцией переключения при переходе через "0" или с мгновенным включением. Подходят для коммутации резистивной и индуктивной нагрузки. Благодаря широкому диапазону управляющего напряжения исключается требование выбора реле на фиксированное входное напряжение и, в связи с этим, упрощается выбор реле. Возможна также установка этого типа реле на монтажную шину с помощью специального адаптера.

Рис. 2. Компактные твердотельные реле для печатного монтажа с возможностью установки на монтажную шину

1-фазные полупроводниковые реле в промышленном исполнении

Выпускаются с функцией переключения при переходе через "0" или с мгновенным включением на токи до 110 A. Имеется тип реле серии RA 24..L с низким значением электромагнитного излучения, а также с выводами для контроля аварийного/ допустимого рабочего состояния выходной цепи (серия RA..24…..S). Новые серии: RS, RM в облегчённых корпусах (рис. 3). RS тип широко применяется в медицинской технике, оборудовании для пищевой промышленности, офисной и бытовой технике для коммутации резистивной нагрузки (по типу нагревателей). RM тип предназначен для коммутации индуктивной, емкостной, активной нагрузки с большой частотой переключений. Главное применение – включение/выключение моторов исполнительных механизмов в промышленном оборудовании. Имеется LED –индикация управляющего напряжения. Степень защиты от попадания влаги, пыли - IP20. Клеммы RS/RM серии располагаются под защитной крышкой, конструктивно выполнены в виде винтового зажима. Максимальное сечение присоединяемого силового кабеля - 16mm2.

Рис. 3. Однофазные твердотельные реле для тока нагрузки до 110 А

Компактное однофазное реле в корпусе марки SOLITRON Mini для установки на DIN-рейку, на токи до 20 А

Это полностью готовые к применению ТТР со встроенным тыловым охладителем и шириной корпуса 22,5 mm (рис. 4). Существуют версии как с контакторным расположением выводов, так и со стандартным – релейным типом.

Рис. 4. Компактные однофазные твердотельные реле со встроенным охладителем

2-фазные и 3-х фазные SOLITRON – с фронтально встроенным охладителем, на токи до 63 A

Выпускаемые типы: стандартные, с низким электромагнитным излучением, со схемой контроля аварийного/рабочего состояния выходной цепи, серия с аналоговым управлением по полному циклу импульса для регулировки мощности (преимущественно нагревателей); экономичные 2-х / 3-х фазные переключатели для нагревателей, моторов и другой индуктивной нагрузки (рис. 5).

Рис. 5. Двух- и трехфазные твердотельные реле с фронтально встроенным охладителем

3-х фазные полупроводниковые реле в промышленном исполнении

Выпускается с функцией переключения при переходе через "0", с отделением для встраивания защитного термопредохранителя. Рабочие токи – 3х10… 55 А (АС51). Имеются типы со встроенным электронным “дополнительным” контактом (рис. 6).

Рис. 6. Трехфазные твердотельные реле (твердотельные контакторы)

На основе ТТР выполнены также недорогие варианты контроллеров плавного пуска-останова двигателей (до 22 кВт), контроллеры динамического торможения (до 37 кВт) и контроллеры реверсирования (до 3 кВт) асинхронных двигателей.

Выбор

Твердотельные реле дают пользователю большие возможности по применению, их необходимо считать как отдельный, особый класс реле. Однако при применении ТТР в конкретных проектах существуют некоторые ограничения, которые отличаются от таковых среди электромеханических реле. Следующие рекомендации по правильному выбору ТТР будут служить кратким руководством по профессиональному применению этих устройств. Так как выбор ТТР по управляющему сигналу не вызывает особых трудностей, остановимся на рассмотрении некоторых особенностей, касающихся коммутации нагрузки.

Все эти реле разработаны по самой передовой технологии. Это делает их удобными как для работы с активными, так и для управления индуктивными нагрузками при значениях cosj близких к 0 (катушки соленоидов, электромагниты, электромеханические реле, двигатели и т. д., кроме реле с аналоговым управлением по полному циклу импульса, предназначенного специально для управления нагревателями). Для полного использования преимуществ твердотельных реле следует придерживаться нескольких важных правил:

  • оставлять достаточный запас по максимально допустимым значениям (как по напряжению, так и по току);
  • обеспечивать надлежащее охлаждение реле, чтобы избежать тепловых перегрузок;
  • учитывать тип нагрузки;
  • применять меры защиты от коротких замыканий в нагрузке (быстродействующий предохранитель).

При выборе рабочего тока реле, работающего на индуктивность, необходимо учитывать бросок тока, присущий нагрузкам этого типа.

Выбор предельного тока реле

В зависимости от наличия или отсутствия броска тока при подключении нагрузки:

1. Бросок тока отсутствует: необходимо учитывать только номинальный ток нагрузки (в технической документации ТТР этот режим обозначается АС1, либо АС51, где "5" указывает, что коммутация — "твердотельная"). Достаточно дать небольшой запас (на 5-10 %) во избежание перегрева и использования очень больших теплоотводов.

2. Бросок тока присутствует (двигатели, трансформаторы, конденсаторы): убедитесь, что величина и длительность броска тока не превышают максимального повторяющегося значения, указанного в паспорте для конкретного реле. Для реле таким режимом является режим АС53 (=АС3). В технических характеристиках по каждому типу ТТР максимальное значение рабочего тока при этом режиме указывается отдельно.

Тепловой ток соответствует току, который может непрерывно протекать через реле или контактор (установленный на подходящий теплоотвод). При частом включении-выключении ТТР говорят об эквивалентном тепловом токе, который зависит от рабочего цикла (т. е. скважности импульсов коммутации) и позволяет подобрать правильный теплоотвод.

Выбор правильного теплоотвода

После того, как определен предельный ток реле, выбор теплоотвода зависит от скважности „включено-выключено“, с которой работает устройство, а также температуры окружающей среды.

Для непрерывной работы или в случаях, когда режим перегрузки по току занимает не более 10% всего времени работы, за опорный уровень для кривых теплового режима принимается номинальный ток нагрузки.

Для циклической работы необходимо оценить эквивалентный тепловой ток, принимаемый за опорный уровень для кривых теплового режима.

Таким образом, рабочий ток – тепловой ток (эквивалентный тепловой ток) и температура окружающей среды – взаимосвязанные величины. Диаграммы, облегчающие подбор необходимого охладителя по одной из основных его характеристик – коэффициента теплового сопротивления, выражаемого в Кельвинах на ватт, даются для каждой серии ТТР в зависимости от рабочего тока. Здесь также дается для справки рассеиваемая мощность ТТР при заданном режиме. Полученное из диаграмм значение коэффициента теплового сопротивления используется для окончательного подбора охладителя по таблице, представленной в технической документации по каждой серии ТТР.

Табл. 1. Преимущества и недостатки ТТР и ЭМР
Твердотельные релеЭлектромагнитные реле
Преимущества
  • Большой срок службы – высокая надёжность, более 109 циклов коммутации;
  • Отсутствие механического контакта, низкое электромагнитное излучение;
  • Стойкость к ударам и вибрации (отсутствуют движущиеся детали);
  • Малое падение напряжения на замкнутых контактах;
  • Отсутствие дугового разряда при размыкании (размыкание с нулевым током), т. е. рекомендуются использоваться во взрывоопасной среде;
  • Отсутствие в управляющей цепи индуктивности (отсутствуют всплески напряжения при отключении);
  • Высокое напряжение пробоя изоляции между входом-выходом – 4000 V;
  • Большая устойчивость к вибрации и ударам;
  • Высокая стойкость к агрессивным средам;
  • Полная защита от попадания внутрь корпуса пыли, грязи и т. п.;
  • Отсутствие электромеханического шума;
  • Логическая совместимость с управляющими схемами.
  • Коммутирует как переменное, так и постоянное напряжение;
  • Низкая стоимость;
  • Малое падение напряжения на замкнутых контактах;
  • Отсутствует ток утечки между открытыми контактами;
  • Существуют многополюсные версии (4 и более групп контактов).
Недостатки
  • Относительно большое прямое падение напряжения – 1…1,6 В и связанная с этим рассеиваемая мощность; Способ решения проблемы – теплотвод;
  • Ограничения по скорости нарастания напряжения, малая защищённость от импульсных помех;
    Способ решения проблемы – RC цепочка, демпфирующая скачки напряжения dU/dt, варистор;
  • Токи утечки между силовыми клеммами в отключенном состоянии;
    Способ решения проблемы – дополнительный механический выключатель нагрузки.
  • Малый срок службы, связанный с износом контактов, особенно при большой частоте коммутации;
  • Дребезг контактов;
  • Непредсказуемый ток в момент включения нагрузки – коммутация происходит без контроля перехода напряжения через "0";
  • Большое время отключения;
  • Шумы – электромеханические и электромагнитные.

Выбор номинала быстродействующего предохранителя

В случаях, приводимых к коротким замыканиям, в линиях нагрузки возникают токи, исчисляемые несколькими тысячами ампер. Даже самое мощное ТТР не сможет устоять перед подобным разрушительным действием. Встраивать же специальные схемы, отслеживающие такие случаи и отключающие само ТТР, не предоставляется возможным из-за их сложности и высокой стоимости. Выход из этой ситуации - специальный быстродействующий предохранитель, предназначенный для защиты ключевых элементов изделий на основе полупроводниковых структур. В зарубежной литературе такие предохранители называются HIGH SPEED FUSE, FAST FUSE или ULTRA FAST FUSE. Обычно, номинальный ток выбираемого предохранителя равен или на 20-30 % выше паспортного номинального значения тока ТТР. Возможно применение предохранителя и с меньшим током, если ток нагрузки всегда будет постоянен и заведомо ниже этого значения. Одна из основных характеристик быстродействующего предохранителя - это параметр I2t (выражается в А2s), характеризующий скорость срабатывания. Чем меньше его значение, тем быстрее предохранитель разрывает цепь. Рекомендуемое значение I2t для каждого типа и номинального тока ТТР приводится в его технической документации.

Таблица 2 также поможет понять читателю, в каких конкретных случаях следует применять то или иное твердотельное реле.

Табл. 2. Таблица выбора
РелеПрименения
Нагре-
ватель (резис-тивная
нагр.)
Лампа накали-
вания (резис-
тивная нагр.)
Лампа накали-
вания (гало-
генная)
1-но фазный двига-
тель
3-х фазный двига-
тель
Транс-
форма-
тор не-
большой мощности
Транс-
форма-
тор 1/3-х фазный
Кон-
так-
тор вели-
чины DC13
Для печатного монтажа
Функция переключения ZS ZS ZS ZS (IO) ZS (IO) ZS (IO) PS ZS (IO)
3 А, триак 2,5 А 1,5 А   2,5 А 2,5 А 0,5 А   1,5 А
5 А, триак 5 А 4 А   3 А 3 А 0,8 А   3 А
5,5 А, триак 5,5 А 4,5 А   5 А 5 А 0,8 А   3 А
5 А, антипараллельный тиристор 4 А 3 А   3 А 3 А 0,8 А   3 А
Монтаж на шасси
10 А, триак 8 А 5 А 2 А 2 А   2 А    
25 А, триак 16 А 10 А 4 А 4 А   4 А    
10 А, антипараллельный тиристор / альтернистор 10 А 8 А 3 А 3 А 3 А   3 А  
25 А, антипараллельный тиристор / альтернистор 25 А 15 А 6 А 5 А 6 А   6 А  
40 А, альтернистор 40 А 25 А 12 А 12 А 10 А      
50 А, антипараллельный тиристор 50 А 30 А 15 А 15 А 12 А   15 А  
55 А, альтернистор 55 А 33 А 16 А 16 А 15 А      
75 А, антипараллельный тиристор 75 А 1) 50 А 25 А 20 А 24 А      
90 А, антипараллельный тиристор 90 А 1) 50 А 25 А 20 А 24 А      
100 А, антипараллельный тиристор 100 А 1) 60 А 30 А 30 А 40 А      
110 А, антипараллельный тиристор 110 А 1) 60 А 30 А 30 А 40 А      

Данные предоставлены для рабочей температуры окружающей среды Tamax = 40° C

ZS: Zero switching - переключение через "0"
IO: Instant-on switching - мгновение включение
PS: Peak switching - включение при пиковом значении
1) Клеммы сконструированы на ток 63 А max.