Защита контактов реле от пусковых напряжений и токов в цепях переменного и постоянного тока - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Увеличение переходного сопротивления приводит к увеличению нагрева в месте контакта, окислению и, в конечном итоге, к полной потере контакта.

Содержание

Защита контактов реле от скачков напряжения и тока в цепях переменного и постоянного тока

В этой статье мы рассмотрим Защита контактов реле и входных цепей устройств, чувствительных к напряжению и пусковому току, в цепях постоянного и переменного тока с использованием:

RC-цепь;
Диодная схема;
Схема диод-стабилитрон;
схема варистора.

Когда различные электрические устройства включаются или выключаются, ток в цепи имеет тенденцию отклоняться от своего установившегося значения. Количество вариаций во много раз больше. На следующих диаграммах показано изменение тока при включении различных типичных нагрузок.

При отключении индуктивной нагрузки возникает ЭДС самоиндукции (от нескольких сотен до нескольких тысяч вольт). Такой скачок напряжения может повредить коммутационный элемент или значительно сократить срок его службы. Если ток в этих нагрузках относительно мал (несколько ампер), то самоиндуцированный эффект ЭДС на переключающих контактах индуктивной нагрузки может вызвать коронный разряд или дугу.

Это, в свою очередь, может привести к образованию оксидов и карбидов на контактах. Воздействие ЭМП самоиндукции может также повредить оборудование, имеющее общие цепи питания с индуктивными нагрузками.

Например, электронное реле таймера, подключенное параллельно мощному промежуточному реле, может быть повреждено или не функционировать должным образом, если не принять меры по защите от самоиндукции.

Когда между контактами возникает электрическая дуга, контактные точки разрушаются из-за переноса материала с поверхности контакта. Это приводит к свариванию контактов и изменению их формы, в результате чего увеличивается сопротивление контактов.

Увеличение контактного сопротивления приводит к повышенному выделению тепла на контакте, окислению и, в конечном итоге, к полной потере контакта.

Для поддержания срока службы контактов и защиты нагрузок используются различные методы защиты.

Защита контактов и входов для устройств, чувствительных к пусковым напряжениям и токам в цепях постоянного и переменного тока.

По своей конструкции твердотельные реле можно отнести к гибридным устройствам. Функцию контактной группы в твердотельных реле берет на себя электронный силовой выключатель. Это предотвращает возникновение дуги при переключении. Эта функция необходима, когда узел используется в зонах с высоким уровнем химического загрязнения.

Причины возникновения искр и дуги

Прежде чем мы рассмотрим, почему контакты вызывают дугу, давайте разберемся в основных понятиях. Распределительное устройство и его контактная система должны обеспечивать надежное соединение, которое может быть разорвано в любой момент. Контакты состоят из двух электрических пластин, которые должны быть плотно прижаты друг к другу в закрытом положении.

При переключении индуктивных цепей возникает электрическая дуга. К таким схемам относятся различные двигатели и электромагниты, но следует помнить, что даже простой кусок провода имеет некоторую индуктивность, и чем он длиннее, тем больше индуктивность. Однако ток в индуктивности не может прекратиться немедленно – это описано в законах коммутации. Поэтому на выходах индуктивных нагрузок создается ЭДС самоиндукции, величина которой описывается формулой:

E=L*dI/dt

Интересно! В нашем случае скорость изменения тока играет важную роль. В выключенном состоянии она очень высока, поэтому ЭДС будет стремиться к высоким значениям, вплоть до десятков киловольт (например, система зажигания автомобиля).

В результате ЭДС возрастает настолько, что ее величина пробивает зазор между контактами – возникает электрическая дуга или искры. Качество любого соединения описывается его переходным сопротивлением: чем оно ниже, тем лучше соединение и тем меньше тепла оно выделяет. Когда они открываются, она резко возрастает и стремится к бесконечности. В то же время область, к которой они прикасаются, нагревается.

Кроме того, на фоне возрастающей ЭДС самоиндукции между открытыми контактами и повышенной температуры воздуха из-за нагрева поверхности у открытых пластин происходит ионизация воздуха. В результате возникают все условия для возникновения дуги и искрения.

Если вы хотите узнать, почему контакты искрят при замыкании цепи, то это происходит уже не с индуктивной, а с емкостной нагрузкой. Вы можете видеть это каждый раз, когда подключаете зарядное устройство к ноутбуку или телефону. Дело в том, что разряженная емкость (конденсатор) на входе устройства изначально представляет собой закороченный участок цепи, ток которого уменьшается по мере его зарядки.

Если вы наблюдаете искрение в реле или переключателе в замкнутом положении, это связано с плохим состоянием контактных поверхностей и их высоким переходным сопротивлением.

Проектирование аналоговых схем, моделирование схем SPICE, расчеты и анализ, выбор компонентов

FPGA, CPLD, PLD

–>

Среды моделирования – обсуждение САПР

Quartus, MAX, Foundation, ISE, DXP, ActiveHDL и другие.
Особенности, удобства.

Модераторы раздела vetal />des00 />

22 минуты назад
Тема:Правила кодирования HDL в зависимости от среды проектирования
От:МаратЗуев

–>

Работа с ПЛИС, приложения, выбор

Что делать? Почему это не работает?

модераторы раздела vetal />des00 />

Вчера в 13:23
Тема:Xilinx IBIS Ultrascale+
От:rloc

–>

Языки проектирования ПЛИС

Verilog, VHDL, AHDL, SystemC, SystemVerilog и др.

Модераторы раздела aosp vetal дес00

6 часов назад
Тема:Циклическое смещение в Verilog
От:andrew_b

–>

Системы на программируемой интегральной схеме (SoPC)

Разработка встроенных процессоров и периферийных устройств для ПЛИС

Модераторы раздела Веталь дес00 Omen_13

Среда, 13:03
Тема:Задержка GDDR6
От:молодец

То же фото. Обломки остались, более того, искрение на контактах реле все еще есть, хотя и значительно ослабленное.

Правильный щелчок реле: коммутация тяжелых нагрузок

Управление большими нагрузками – популярная тема среди тех, кто так или иначе занимается домашней автоматизацией, и это справедливо независимо от платформы: будь то Arduino, Rapsberry Pi, Unwired One или какая-либо другая, рано или поздно какой-нибудь обогреватель, бойлер или канальный вентилятор нужно включить или выключить.

Традиционная дилемма – на что перейти. Как многие убедились на собственном печальном опыте, китайские реле ненадежны – при коммутации сильной индуктивной нагрузки контакты сильно искрят и в какой-то момент могут просто заклинить. Вы должны использовать два реле – второе является защитным выключателем.

Симистор или твердотельное реле (по сути, тот же тиристор или предохранитель с логическим управлением и схемой опторазвязки в том же корпусе) может заменить реле, но у них есть другой недостаток – они нагреваются. Поэтому необходим теплоотвод, что увеличивает размеры конструкции.

Я хочу рассказать вам о простой и довольно очевидной, но редко встречающейся схеме, которая может это сделать:

Гальваническая изоляция входа и нагрузки
Переключение индуктивных нагрузок без пускового тока или напряжения
Отсутствие заметного тепловыделения даже при максимальной мощности

Но сначала небольшая иллюстрация. Во всех случаях использовались реле TTI TRJ и TRIL, а в качестве нагрузки использовался пылесос мощностью 650 Вт.

В классической схеме ховер подключается через простое реле. Затем подключите осциллограф к ховеру (Примечание: Либо осциллограф, либо ховер – а лучше оба – должны быть гальванически изолированы от земли! Не кладите пальцы или яйца в солонку! 220 В – это не шутка!) и наблюдать.

Мне пришлось отключить напряжение в сети почти до максимума (пытаться связать электромагнитное реле с пересечением нуля глупо: оно слишком медленное). Короткий всплеск почти вертикальных фронтов громыхнул в обоих направлениях, и помехи полетели во все стороны. Этого следовало ожидать.

Внезапная потеря напряжения на индуктивной нагрузке не сулит ничего хорошего – происходит скачок вверх. Кроме того, видите ли вы эти синусоидальные возмущения за миллисекунды до фактического отключения? Именно эта искра вызывает размыкание контактов реле, что однажды приведет к их замыканию.

Таким образом, голое реле плохо подходит для коммутации индуктивной нагрузки. Что нам делать? Попробуйте добавить снаббер – RC-цепь из резистора 120 Ом и конденсатора 0,15 мкФ.

Лучше, но не намного. Высота выбивания уменьшилась, но в целом она осталась прежней.

Та же формула. Осколки остались, кроме того, по-прежнему наблюдается искрение контактов реле, хотя и значительно уменьшенное.

Вывод: с снаббером лучше, чем без него, но он не решает проблему глобально. Тем не менее, если вы хотите коммутировать индуктивные нагрузки с помощью обычного реле, используйте снаббер. Номиналы должны соответствовать конкретной нагрузке, но резистор 1 Вт 100-120 Ом и конденсатор 0,1 мкФ представляются разумным вариантом в данном случае.

Соответствующая литература: Agilent – Примечание по применению 1399, “Максимальный срок службы ваших реле”. (Максимизация срока службы реле). При эксплуатации реле с наихудшим типом нагрузки – двигатель, который при запуске имеет очень малое сопротивление в дополнение к индуктивности – авторы рекомендуют сократить номинальный срок службы реле в пять раз..

Теперь давайте сделаем ход – объединим симистор, драйвер симистора с определением нуля и реле в одной схеме.

Что у нас есть в схеме? Слева находится вход. Когда на него подается “1”, конденсатор C2 почти мгновенно заряжается от R1 и нижней половины D1; оптопара VO1 включается, ждет ближайшего пересечения нуля (MOC3063 – со встроенным детектором нуля) и включает симистор D4. Начинается загрузка.

Конденсатор C1 заряжается с помощью R1 и R2, что занимает примерно t=RC

100 мс. Это несколько периодов сетевого напряжения, т.е. симистор имеет время для гарантированного включения. Затем Q1 открывается – и реле K1 включается (и диод D2, светящийся приятным изумрудным светом). Контакты реле шунтируют симистор, так что он не участвует в работе выхода, пока не будет выключен. Он также не отапливается.

Выключение производится в обратном порядке. Как только на входе появляется “0”, C1 быстро разряжается верхним плечом D1 и R1, и реле отключается. С другой стороны, симистор остается включенным в течение примерно 100 мс, поскольку C2 разряжается через 100 кОм R3. Кроме того, поскольку симистор удерживается в открытом состоянии током, он будет оставаться открытым даже после отключения VO1 до тех пор, пока ток нагрузки не упадет ниже тока, удерживающего симистор в течение следующего полуцикла.

Прекрасно, не правда ли? Более того, в современных симисторах, выдерживающих быстрые изменения тока и напряжения (такие модели есть у всех крупных производителей – NXP, ST, Onsemi и т.д., названия начинаются с “BTA”), снаббер вообще не нужен, ни в каком виде.

Кроме того, если вспомнить людей из Agilent и посмотреть, как меняется потребляемый двигателем ток, то получится такая картина:

Пусковой ток более чем в четыре раза превышает рабочий ток. В течение первых пяти периодов – времени, на которое симистор обгоняет реле в нашей схеме – ток падает примерно вдвое, что также значительно снижает требования к реле и продлевает срок его службы.

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

Преимущества RC-цепи при параллельном соединении с нагрузкой:
– Хорошее подавление дуги, отсутствие токов утечки в нагрузку через разомкнутые контакты реле.
Недостатки:
– При токах нагрузки более 10 А большие значения емкости вызывают необходимость использования относительно дорогих и негабаритных конденсаторов, желательны экспериментальные испытания и подбор компонентов для оптимизации схемы.

Расчет RC-цепи

Преимущества RC-цепи при параллельном соединении с нагрузкой:
– Хорошее подавление дуги, отсутствие токов утечки в нагрузку через разомкнутые контакты реле.
Недостатки:
– При токах нагрузки более 10 А большие значения емкости приводят к необходимости установки относительно дорогих и больших по размеру конденсаторов, для оптимизации схемы желательна экспериментальная проверка и подбор компонентов.

Решение: C=2 2 /10 = 0,4 μf R = 220 / (10 * 2 * (1 + 50 / 220)) = 220 / (20 * 1,227) = 220 / 24,54 = 8,96 Ом Ответ: C = 0,4 мкФ, R = 8,96 Ом. Эти значения соответствуют приведенной выше номограмме. Эта номограмма может быть использована для защиты контактов электромагнитного реле. Используя известные напряжение питания U и ток нагрузки I, найдите две точки на номограмме, затем проведите линию между этими точками, показывающую желаемое значение сопротивления R. Значение емкости C читается на шкале рядом со шкалой тока I. Номограмма дает конструктору достаточно точные данные, при практической реализации схемы необходимо будет взять ближайшие стандартные значения для резистора и конденсатора RC-цепи.

Издание: Вопросы радиоэлектроники, серия ТПС, 1973, т. 4.

Эффективность диодов для защиты коммутационных контактов индуктивных нагрузок

Автор: Мицун В. В., Ленская Л. Н., Голуб В. И.

Издание: Вопросы радиоэлектроники, серия ТПС, 1973, т. 4.

В.В. Мицун, Л.Н. Ленская, В.И. Голуб

Рассматривается защита контактов при коммутации индуктивных нагрузок.

Показано, что для коммутируемых индуктивных нагрузок, шунтируемых диодами, износостойкость контактов при токах, меньших пределов дуги, равна износостойкости контактов при активных нагрузках.

Переключение цепей, содержащих индуктивность, обычно сопровождается газовым разрядом в контактном промежутке, что приводит к горению и разрушению контактной поверхности. Поэтому желательно устранить газовые разряды в контактном зазоре при размыкании контактов индуктивными зарядами, чтобы увеличить срок службы и надежность контактов.

Рисунок 1: Системы защиты контактов.

До появления полупроводниковых приборов для защиты контактов использовались линейные резисторы. Защита контактов с помощью резисторов (рис. 1,а) используется и сегодня. Резисторы подключаются параллельно контактам, шунтируют их и, когда индуктивная нагрузка размыкается, предотвращают возникновение высокого напряжения на контактах. Чем меньше сопротивление шунтирующего резистора, тем лучше он защищает контакты. Однако сопротивление резистора может быть уменьшено до определенного предела, поскольку ток, протекающий через резистор, может быть достаточным для отключения электромагнитных механизмов, часто используемых в качестве индуктивных нагрузок. Кроме того, шунтирующий резистор потребляет энергию, что также является недостатком этого метода защиты контактов.

Эти недостатки устраняются, если последовательно с шунтирующим резистором параллельно индуктивной нагрузке подключить диод (в непроводящем направлении) (рис. 1,6). Диод предотвратит протекание установившегося тока через RIII в том же направлении, что и ток в RL, и позволит импульсам тока от индуктивности протекать в противоположном направлении при размыкании контактов [1].

Преимущество использования выпрямителя в схеме искрогашения заключается в том, что напряжение на контактах при размыкании индуктивной нагрузки [2, 3] лишь незначительно отличается от напряжения питания. В случае коммутации без искрогасителей в контактном промежутке могут возникать различные типы газовых разрядов: дуга, свечение, вспышка или их комбинация. Их возникновение определяется многими факторами, наиболее важными из которых являются тип, способ и параметры нагрузки, материал контактов и конструкция реле, а также условия окружающей среды.

Электрическая дуга на размыкающихся контактах, сопровождающаяся ярким свечением, нагревом материала контактов и термоэлектронной эмиссией, вызывает дуговую эрозию.

Для каждого материала контакта существуют определенные значения тока Im и напряжения Um [1], ниже которых в контактном промежутке (при данных атмосферных условиях) не может образоваться дуга.

В таблице 1 приведены минимальные напряжения и токи дуги для некоторых контактных материалов.

В контактном зазоре не образуется дуга [3]:

Где ik – ток, протекающий через контакты до их размыкания; Uk – напряжение на контактах после их размыкания; Im и Um – константы материала контактов.

Для серебряных контактов анализ выражения [3] показал, что при напряжении и токе выше предела дуги не удается полностью погасить дугу в межконтактном промежутке при размыкании индуктивного заряда, шунтированного цепью искрового промежутка из диода и резистора.

Рисунок 2: Напряжение и ток на контактах реле RPS9 (Zl 999.9), размыкающих нагрузку в режиме 30 В; la:

a-индуктивная нагрузка (t=15 мсек); b-индуктивная нагрузка (t=15 мсек), шунтированная диодом D7J; c-активная нагрузка.

Рис. 3. Напряжение и ток на контактах реле RPS9 (Sr999), размыкающего нагрузку в режиме 30В; 1a:

a – индуктивная нагрузка (t=15 мс); b – индуктивная нагрузка (t=15 мс), шунтированная диодом D7J; c – активная нагрузка.

При отключении индуктивной нагрузки с током Ik

Рис. 4. Напряжение и ток контактов реле RES10 (PlI-10), прерывающих нагрузку в режиме 30 В; 1 a:

a-индуктивная нагрузка (t=15 мсек); b-индуктивная нагрузка (t=15 мсек), шунтированная диодом D237A; b-активная нагрузка.

Рис. 5. Напряжение и ток на контактах реле RPP10 (PlI-10), отключающая нагрузка при 30 В; 0,5 a

a – индуктивная нагрузка; b – индуктивная нагрузка (t=15 мс), шунтированная диодом D237A, и.1i активная нагрузка.

Для серебряных контактов реле РЭС9 при тех же нагрузках сохраняется переходный характер в зазоре между контактами, зажигание дуги (рис. 3, а) и тлеющий разряд, как при размыкании индуктивной нагрузки золотыми контактами (рис. 2, а). Когда индуктивная нагрузка шунтируется диодом D7J, тлеющий разряд исчезает (рис. 3, б) и дуга горит дольше, чем при открытой активной нагрузке (рис. 3, в) в том же режиме.

Когда контакты реле останова РЛИ-10 РЭС10 размыкают индуктивную нагрузку (t=15 мс) током 1 а, дуга горит в течение 1 мс в зазоре между контактами, а тлеющий разряд длится 400 мс (рис. 4, а). Когда индуктивная нагрузка шунтируется диодом D237A (рис. 4, 6), дуга в контактном промежутке горит в течение 100 мкс, а когда активная нагрузка разомкнута (рис. 4, в), дуга отсутствует.

Как отмечалось ранее, для того чтобы дуга загорелась в контактном промежутке, ток и напряжение через контакты должны быть не менее It и Um.

На рис. 5 показана осциллограмма тока и напряжения при размыкании индуктивной нагрузки (t=15 мс) током 0,5 а при напряжении 30 В. Из осциллограммы видно, что с момента размыкания контактов реле ПЭСУ (ПЛИ-10) в межвитковом промежутке в течение 400 мкс горит тлеющий разряд. Минимальный ток, необходимый для возникновения дуги (Таблица 1), должен быть не менее 0,7a. В этом случае ток, протекающий через контакты, составляет 0,5 А, и дуги не возникает. Когда индуктивная нагрузка шунтируется диодом D237A, газовый разряд в контактном промежутке отсутствует, как и при размыкании активной нагрузки (Рисунок 5, c).

Читайте далее: