Приборы для автоматизации производства

Твердотельные реле и контакторы

Твердотельные реле (Solid state relays - SSR) большинства фирм выпускаются примерно в одинаковых, хорошо узнаваемых прямоугольных корпусах размером со спичечную коробку. В разговорном английском языке их иногда называют "hockey puck relays", а в русском – «таблетка». В SSR в качестве силовых полупроводниковых ключей могут использоваться как симисторы (triac), так и, что предпочтительнее, тиристоры (SCR), включенные встречно-параллельно.

Симисторные SSR как правило имеют более низкую стоимость и предназначены в основном только для коммутации резистивной нагрузки. В мощных твердотельных реле используются только тиристоры. SSR включают и выключают нагрузку только в точке перехода синусоидальной волны тока через ноль, таким образом значительно снижая броски тока и импульсные помехи при коммутации. Так как твердотельные реле не имеют механических контактов, они могут иметь неограниченное количество и большую частоту включений/выключений. SSR могут быть идеальным продуктом с точки зрения надежности, работоспособности и долговечности, если при их применении внимательно отнестись к трем важным моментам. А именно, отсутствию перенапряжений, перегрузок по току, и превышения температуры. Далее будет рассказано о том, как избежать этих факторов.

Твердотельные реле часто используются в промышленных системах управления электронагревателями (совместно с регуляторами температуры), для пуска электродвигателей (благодаря хорошей способности выдерживать кратковременные пусковые токи), в компьютерных системах управления (благодаря минимальному управляющему сигналу), включение/выключение ламп освещения (коммутация при переходе тока через ноль увеличивает срок службы ламп) и для других задач управления нагрузкой различного типа. При использовании SSR в системах управления температурой, они могут обеспечить короткий цикл вкл/выкл, что значительно повышает точность регулирования и увеличивает ресурс нагревателей за счет сокращения теплового удара. Например, для нагрева на 25% можно задать такой цикл: 0.05 сек вкл, 0.15 сек выкл, 0.05 вкл, .... Это соответствует тому, что 3 периода напряжения вкл, 9 периодов напряжения выкл, 3 вкл, 9 выкл, .... Таким образом пропуская полные периоды напряжения и коммутируя нагрузку при переходе тока через ноль, помехи не генерируются, а мощность плавно нарастает благодаря инерции тепловых процессов. Нагрев происходит стабильно без колебаний, при низком тепловом напряжении, что благоприятно сказывается на сроке службы нагревательного элемента.

Твердотельные контакторы (Solid state contactors - SSC). Когда твердотельное реле выпускается в сборе с радиатором, а иногда и с вентилятором и предохранителями, как единое законченное изделие, оно часто называется твердотельным (или электронным) контактором. Часто в этих изделиях используются бескорпусные тиристоры, созданные по гибридной технологии (DCB) с прямым нанесением меди на керамическую основу, что значительно улучшает теплоотдачу за счет большой площади поверхности чипа и плотного контакта с радиатором. Так же конструктивно электронные контакторы от реле может отличать наличие электробезопасного клеммника и приспособления для монтажа на DIN-рейку. Благодаря этим особенностям и компактным размерам, твердотельные контакторы можно быстро и удобно монтировать в электрошкафу, устанавливая их вплотную друг к другу на DIN-рейке.

В системах управления нагревом твердотельные контакторы могут применяться совместно с ПЛК, ПК, ПИД-контроллерами, генерирующими вкл/выкл сигнал напряжения постоянного или переменного тока.

"Интеллектуальные" твердотельные контакторы. Это такие электронные контакторы, которые дополнительно имеют диагностические и/или коммуникационные возможности. Диагностика может включать в себя контроль неисправности тиристоров, отсутствие нагрузки, обрыв предохранителя, перегрев и прочие проблемы. Интеллектуальные контакторы это один из самых быстрорастущих сегментов на рынке силовой коммутационной техники. Они широко внедряются в крупные проекты, необслуживаемые автоматические станции, а так же в системы удаленного управления электронагревателями и электродвигателями.

Применение SSR: как избежать перенапряжения, перегрузки по току и перегрева

Твердотельные реле не имеют движущихся механических частей, и, следовательно, нет причин для их механического повреждения и износа. Однако, традиционные твердотельные реле (как и другая современная электроника) могут быть разрушены от воздействия трех локальных факторов: перенапряжения, перегрузки по току (в том числе к.з.), и перегреву из-за недостаточного отвода тепла. Если Вы учтете эти три фактора, то Вы сможете избежать подавляющего большинства отказов при эксплуатации твердотельных реле.

Перенапряжение со стороны электрической сети
На всех промышленных предприятиях могут возникать колебания напряжения в электрической сети из-за пуска и останова соседних электроприводов, индуктивной нагрузки, электромеханических контакторов (коммутация без контроля перехода тока через ноль мощных нагрузок), отключения станков и механизмов без использования надлежащих фильтров, мощных тиристорных регуляторов с фазовым управлением, и т.д. Это создает пиковые перенапряжения на не фильтрованной части электрической сети, напрямую питающей твердотельные реле и их нагрузку. Большинство современных SSR и SSC имеют встроенные схемы защиты от перенапряжения, а так же достаточно высокий (3-12 кратный) запас прочности по мгновенному перенапряжению. Наиболее эффективные схемы защиты от перенапряжения имеют три функциональных уровня: ослабление + блокирование + управление активацией. Внутренний аттенюатор ослабляет пиковую волну перенапряжения, подавляя первоначальный короткий импульс перенапряжения за счет увеличения его длительности, что менее разрушительно. Затем добавляется жесткий барьер запирающего напряжения: 480-800 В (для SSR с питанием 220В) или 800-1400 В (для SSR с питанием 380В). Далее работает контур защиты SSR от прямого пробоя, который может произойти в течение мгновенного перенапряжения. Через один или два периода питающего напряжения SSR восстановится и сможет продолжить работу. Если в Ваших производственных условиях твердотельное реле подвержено частому воздействию повышенного напряжения, то можете дополнительно поставить варисторы на силовые терминалы SSR. Это будет четвертым уровнем защиты от перенапряжения. Особенно рекомендуется устанавливать варисторы при применении SSR для пуска электродвигателей и/или при отсутствии в твердотельном реле встроенной схемы защиты от перенапряжения.

Перегрузка по току
Многие твердотельные реле имеют внутренние компоненты, завышенные по габаритам, благодаря чему они могут выдерживать кратковременные токовые перегрузки, такие как пусковой ток ламп накаливания и других подобных нагрузок. Например: и 25 А и 40 А твердотельные реле можно достаточно надежно защитить 50 А I²T предохранителем, вследствие конструкции с завышенными габаритами. Новая директива (EN60947-4-3, действует для новой продукции, производимой с 2002 года) требует от твердотельных реле способности выдерживать 20% токовую перегрузку при работе на индуктивную нагрузку с коэффициентом мощности 0.8. Так, например, новые твердотельные реле FOTEK ESR и HPR серий полностью удовлетворяют всем требованиям CE EN60947-4-3 без каких-либо дополнительных фильтров. Но пожалуйста, имейте ввиду, что, несмотря на то что все твердотельные реле проходят тест на 20% перегрузку по току (нагрузка 60 А для SSR 50 А), вы должны ВСЕГДА проектировать вашу установку с запасом так, чтобы рабочий ток нагрузки НЕ превышал 80% от номинального тока SSR в установившемся режиме при температуре окружающей среды 40 0C. Это 80%-ое правило помогает упреждать изменения сопротивления нагрузки, токовые флуктуации, и, в конечном счете, продлевает срок службы и гарантирует надежную и безотказную работу всех компонентов установки.

Тепловая перегрузка
Для большинства твердотельных реле действует требование, что температура основания SSR не должна превышать более 80 0С. Для обеспечения этого условия могут потребоваться дополнительные теплоотводящие устройства. Так, например, при токе нагрузки более 5 А, твердотельные реле должны устанавливаться на радиатор с использованием теплопроводящей пасты, заполняющей воздушные пустоты между поверхностью радиатором и основание твердотельного реле. При токе нагрузки более 20÷25А может потребоваться использование вентилятора. Некоторые серии твердотельных реле, например, FOTEK ESR и HPR, имеют встроенную защиту от превышения температуры, которая отключает твердотельное реле при температуре тиристора свыше 120 градусов Цельсия, перезапуск – при температуре ниже 110 градусов Цельсия.

Электронные контакторы IC Electronic, использующие гибридную технологию (DCB) поверхностного монтажа с прямым нанесением меди на керамическую основу, имеют минимальное тепловое сопротивление от тиристора до радиатора. За счет чего имеют более компактные размеры и возможность плотного монтажа на DIN-рейке. Они имеют очень низкие потери мощности: 1.2 Вт на ампер в установившемся режиме. Обычные твердотельные реле производят тепла на 50% - 75% больше. Помимо этого электронные контакторы IC Electronic могут работать без снижения мощности при температуре окружающей среды до 40°C, в то время как большинство твердотельных реле – только до 20 или 25°C. Для них так же существует опциональный датчик (UP62) защиты от тепловой перегрузки, который устанавливается в специальный слот на корпусе контактора и размыкает свой контакт при превышении температуры радиатора значения 90 0С (перезапуск при снижении температуры примерно до 30 0С).

В завершение к сказанному о защите от перенапряжения, перегрузки по току и перегрева, нужно отметить, что монтаж твердотельные реле и контакторов должен выполняться только квалифицированным персоналом в соответствие с национальными стандартами и правилами техники безопасности. Конечно, должно быть учтено и то, что любой электротехнический продукт может выйти из строя в любое время. Таким образом, все установки должны быть разработаны с использованием устройств защитного отключения, как автоматического, так и ручного.

Радиаторы для твердотельных реле

Силовой полупроводниковый переключающий элемент в современном твердотельном реле имеет многослойную структуру, состоящую из чередующихся P и N слоев, выращенных на кремниевой подложке. Они образуют кристалл тиристора. Кристаллы могут быть различных размеров, рассчитанных на различную силу тока. Например, кристалл размером 0.25 x 0.25 дюймов может применяться для нагрузки 50А, а 0.5 x 0.4 дюйма - для 125А. Все твердотельные реле при работе выделяют тепло вследствие прямого падения напряжения на PN-переходах кристалла. Выделяемая температура составляет примерно 1.2°C на ампер пропускаемого тока. Излишки тепла должны отводиться от кристалла, иначе должен быть адекватно снижен ток нагрузки твердотельного реле.

Для отвода тепла от твердотельного реле, в первую очередь, применяются радиаторы, которые за счет большой охлаждающей поверхности обладает хорошими теплопроводящими и рассеивающими свойствами. Применение радиаторов позволяет нагружать реле большими токами. Эффективность охлаждения радиатором, кроме его конструкции, во многом зависит от температуры и скорости движения воздушного потока. При выборе или расчете радиатора надо обязательно руководствоваться как током нагрузки, так и максимальной температурой окружающей среды. Недостаточное внимание к этим деталям может привести к неисправности твердотельного реле и даже к полному его разрушению. До 90% всех проблем эксплуатации твердотельных реле напрямую связано с недостаточным его охлаждением.

При нагрузке менее 2-4 А, тепло может быть рассеяно самим корпусом твердотельного реле. При длительной нагрузке более 4 А необходимо использование радиатора. Радиаторы для твердотельных реле могут иметь различную конструкцию и площадь охлаждающей поверхности, различный материал и геометрию ребер, а так же количество посадочных мест под SSR. Теплоотводящая и рассеивающая способность алюминиевого листа толщиной 1/8" с различной площадью поверхности следующая:
12" X 12" = 288 кв. дюймов открытой поверхности = примерно 2.1°C на Вт избыточного тепла (2.1 C/W)
15" X 15" = 450 кв. дюймов = примерно 1.5 °C на Вт избыточного тепла (1.5 C/W)
18" X 18" = 648 кв. дюймов = примерно 1.0 °C на Вт избыточного тепла (1.0 C/W)
Чем ниже значение C/W, тем лучше отвод и рассеивание тепла радиатором, с учетом требуемой вентиляции и температуры окружающей среды. Например, если твердотельное реле генерирует 45 Вт тепла при наличии радиатора с теплоотводом 2.1 C/W, то температура внутреннего кристалла реле увеличится на 94.5°C выше температуры окружающей среды. При температуре окружающей среды 40°C, внутренний кристалл нагреется до 134.5°C. Максимально-допустимая температура для кристалла тиристора составляет обычно 125°C, но в целях безопасности не рекомендуется превышать 115°C. Если охлаждающему воздушному потоку будут мешать близкорасположенное оборудование, или произойдет увеличение температуры окружающей среды, или если твердотельное реле не будет иметь достаточно плотного контакта с радиатором, то дополнительно потребуется снижение тока нагрузки твердотельного реле. Твердотельное реле ни когда не должно устанавливаться в замкнутой области без движения воздушного потока, а также на пластиковой или покрашенной поверхности. Радиатор должен устанавливаться с вертикальным расположением ребер, так чтобы воздух от вентилятора мог беспрепятственно проходить вдоль них. Контактные поверхности твердотельного реле и радиатора должны быть ровными, чистыми, не окисленными и не покрытыми краской.

Материал радиатора
Лучшими материалами для изготовления радиатора являются золото, серебро, медь и алюминий. Для промышленного применения алюминий является наиболее экономически-эффективным. По сравнению с алюминием, стали потребовалось бы в два раза больше, а нержавеющей стали в четыре раза больше для достижения такого же охлаждающего эффекта.

Теплопроводящие пасты и прокладки
Силиконовая теплопроводящая паста должна быть нанесена на металлическое основание реле прежде его установки на радиатор. Теплопередача зависит от толщины нанесенного слоя пасты, его однородности и от плотности прилегания реле к радиатору. Мы рекомендуем наносить однородный слой пасты толщиной 0.002", и затягивать оба крепежных винта с усилием 10 фунтов на дюйм. Надо иметь в виду, что чем толще слой теплопроводящей пасты, тем хуже теплоотдача. Если используется сухая теплопроводящая прокладка, усилие затяжки винтов должно быть 20-30 фунтов на дюйм. Сухая теплопроводящая прокладка, показанная на рисунке, представляет собой оптимизированный слой высокоэффективного теплопроводящего компаунда.

Меры предосторожности
Особое внимание следует уделить установке большого количества SSR в ограниченном пространстве. Каждое твердотельное реле по возможности должно монтироваться на индивидуальном радиаторе. При групповом монтаже SSR всегда должен обеспечиваться надлежащий теплоотвод со свободным или принудительным движением воздуха, иначе под нагрузкой произойдет тепловое саморазрушение реле. На практике, если твердотельные реле не имеют штатной защиты от тепловой перегрузки, их температуру можно контролировать простым способом, установив термопару под крепежный винт. Если температура не превышает 45 °C при нормальных условиях эксплуатации, SSR работает в оптимальном тепловом режиме. Если температура выше этого значения, то необходимо снизить ток нагрузки или применить более эффективную систему охлаждения, например, применить вентилятор или увеличить радиатор. Если температура внутреннего кристалла SSR достигнет температуры 115 - 125°C, оно может быть окончательно повреждено. Тепловые проблемы являются кумулятивными, необратимыми и разрушительными. При требовании производителя ограничить температуру основания, для упрощения методики выбора системы охлаждения производители в каталогах приводят типовые решения на базе типовых радиаторов и вентиляторов. Например, для выбора охлаждающих устройств для твердотельных реле Fotek (SIPIN) SSR и TSR можно руководствоваться нижеприведенной таблицей:

Меры защиты / электрические помехи

SSR, как правило, не чувствительно к внешним электрическим помехам, за исключением случаев, когда они действуют во время развития чрезмерно высокого тока нагрузки. Обычно сбой из-за помех носит временный характер, такой как включение SSR, когда оно должно быть выключено, и наоборот. По свой природе электрические помехи носят случайный характер. Например, они могут возникать в момент размыкания механических контактов в цепи питания мощной нагрузки с образованием дуги, и т.д. Помехи, более известные, как электромагнитное излучение (EMI), могут оказывать влияние на особенно чувствительные части схемы SSR, такие как тиристор. Встроенная снабберная RC-цепочка, подключенная параллельно выходу эффективно подавляет помехи, особенно в низкочастотном диапазоне.

Варисторы

Варисторы были разработаны примерно в одно время с SSR, и впоследствии стали надежными компаньонами для твердотельных реле, обеспечивая их защиту от ряда вредных воздействий. Варисторы могут использоваться следующим образом: подключенные параллельно питающему напряжению, они подавляют внешние воздействия от переходных процессов со стороны электрической сети; подключенные параллельно нагрузке, они подавляют воздействия от переходных процессов со стороны нагрузки; и наиболее часто, параллельно SSR для защиты его от всех переходных процессов (от L1 до T1). В последнем случае варистор может быть удобно смонтирован непосредственно на силовые клеммы SSR. Варисторы эффективно использовать с такой нагрузкой, как трансформаторы и импульсные источники питания, где пиковые выбросы не могут быть поглощены самим трансформатором и возвращаются обратно в сеть через SSR. Используемый в соответствие с паспортными данными, варистор, наиболее вероятно, переживет сопряженное с ним оборудование и обеспечит экономичную защиту SSR. Однако варистор подвержен "износу" при постоянном воздействии на него переходных процессов. Поэтому наличие в SSR трехуровневой защиты от перенапряжения ослабляет негативное влияние и на варистор, продлевая его ресурс. Применение варисторов очень рекомендуется при использовании SSR для пуска электродвигателей, а так же если вблизи на одной линии питания с SSR расположены мощные двигатели с прямым пуском. Некоторые производители включают варисторы в комплектацию твердотельного реле, например, электронные контакторы IC Electronic имеют встроенные варисторы.

Максимальный кратковременный ток

Очень немногие типы нагрузки SSR можно назвать спокойными. Броски тока, наряду с плохой системой охлаждения, являются наиболее частой причиной отказов SSR. Частые перегрузки такого рода могут серьезно сократить срок службы SSR. Поэтому при разработке нового приложения, было бы разумно тщательно исследовать характеристики нагрузки на предмет возникновения мгновенных токовых перегрузок, и выбирать SSR с соответствующим запасом по мощности, которое бы устойчиво работало с пусковыми и установившимися значениями тока. Так же важным фактором для тиристорных устройств является такая характеристика, как скорость нарастания тока (di/dt). Большое значение этого параметра может привести к разрушению SSR. Большинство твердотельных реле способны выдержать 10-кратный от номинального пиковый ток в течение одного периода питающего напряжения. Но нужно отметить, что перегрузки такой величины допустимы ограниченное число раз - для большинства реле в среднем 100 раз в течение всего срока эксплуатации. Кроме того, из-за многократного броска тока может быть кратковременно потеряно управление реле. Это значит, что невозможно будет выключить SSR во время действия пикового тока и некоторое время после него. Тиристор должен восстановить свою запирающую способность и допустимую температуру PN-переходов для возвращения в свое устойчивое состояние. Это время может составлять несколько секунд. Такие перегрузки можно допускать лишь в чрезвычайных ситуациях, и ни в коем случае они не должны быть частью штатного режима работы оборудования. Это должно быть учтено при разработке. Твердотельные реле, предназначенные для коммутации постоянного тока (DC) обычно не имеют такой перегрузочной способности, так как номинал выходного транзистора обычно рассчитан по максимальному длительному току. DC SSR должны быть надежно защищены внешними быстро отключающими или токоограничивающими устройствами, так как при длительном протекании сверхтока реле может выйти из строя.

Плавкие предохранители I²T

Быстродействующие "Полупроводниковые Предохранители" являются единственным надежным средством защиты твердотельного реле от перегрузок по току. Благодаря чрезвычайно низкому времени срабатывания (около 2 мс) они не позволяют току короткого замыкания развиться до величины разрушения полупроводника. Этот тип предохранителей достаточно дорогостоящий, но они действительно обеспечивают полную защиту SSR от высоких токовых перегрузок и быстро нарастающих токов короткого замыкания, когда спасение SSR имеет первостепенное значение. Характеристика I²T позволяет правильно выбрать номинал плавкого предохранителя для защиты SSR. Это базовая характеристика, определяющая скорость отключения SSR в зависимости от величины тока. Большинство SSR имеют в своей спецификации значение параметра I²T. При выборе предохранителя надо руководствоваться тем, чтобы его значение I²T было меньше, чем I²T твердотельного реле для такой же длительности. Некоторые производители изначально комплектую свои твердотельные реле быстродействующими предохранителями, например, серии SSR-F и ESR+ компании Fotek имеют в своем составе предохранители Bussman.

Другие типы защитных устройств, такие как автоматические выключатели (с электромагнитной схемой расцепления) или обычные «медленные» плавкие предохранители не могут реагировать достаточно быстро на токи короткого замыкания и не рекомендуются для защиты SSR!!! Автоматические выключатели могут устанавливаться только в качестве дополнительных устройств защиты проводов сети от нагрева и возгорания в соответствие c национальными правилами электробезопасности.

Наиболее удобны для применения законченные системы SSR+радиатор+вентилятор+ быстродействующие плавкие предохранители + встроенная защита от тепловой перегрузки. В такой комплектации выпускаются новые твердотельные модули ESR+ компании Fotek.

Особенности применения SSR

Твердотельные реле в отличие от электромеханических имеют некоторые особенности в работе с некоторыми типами нагрузки. Эти особенности необходимо учитывать при выборе SSR.

Индуктивная нагрузка
Нагрузка, имеющая небольшую индуктивную составляющую, например, некоторые виды ламп, обычно не оказывает значительного эффекта на работу твердотельных реле и может рассматриваться как резистивная. В то время как электромагнитные устройства, такие как трансформаторы, дроссели (реакторы), или электромагнитные катушки могут существенно влиять на работу SSR. Высокоиндуктивная нагрузка может создавать большие пиковые броски тока, и SSR, соответственно, должно выбираться с существенным запасом по току.

Коммутация трансформаторов
Обычно трансформаторы ассоциируются с чрезвычайно высокими пиковыми выбросами тока, особенно в режиме насыщения. Стандартные SSR с включением при переходе напряжения через ноль могут только усугубить эту возможность, и потребуются специальные меры предосторожности. Особенность выключения SSR при нулевом токе минимизирует проблему, но не может полностью предотвратить ее. С практической и экономической точки зрения наилучшим выбором может быть стандартное твердотельное реле со значительным запасом по току (до 10-кратного), чтобы устойчиво выдерживать импульсные токи перегрузки.

Коммутация электродвигателей
Динамическая нагрузка, такая как двигатели, соленоиды, и т.д., может создавать специфичные проблемы для твердотельных реле. Они имеют достаточно высокий и затяжной пусковой ток, потому что импеданс их обмоток в неподвижном состоянии обычно очень низкий. Когда ротор вращается, то создается обратная ЭДС, которая снижает ток. Но та же самая обратная ЭДС может суммироваться с прикладываемым сетевым напряжением и создавать перенапряжение при выключении двигателя. Большинство методов защиты твердотельных реле, описанных выше, применимо и для двигателей. Но нужно заметить, что перенапряжение, вызванное емкостным удвоением напряжения или обратной ЭДС двигателя не может быть эффективно подавлено с помощью средств ограничения переходных процессов. Такие ограничители, так варисторы обычно предназначены для высоких, но кратковременных бросков напряжения, и могут быть выведены из строя от длительного высокоэнергетического воздействия. Поэтому важно, чтобы SSR было выбрано с учетом всего диапазона возможных воздействий, как высокого пускового тока, так и длительного перенапряжения.

Коммутация ламп
Характеристика пускового тока ламп накаливания подобна характеристике максимального кратковременного тока тиристоров, применяемых в SSR, делая их подходящими друг другу. Типичный мгновенный 10-кратный ток при запуске лампы из холодного состояния соответствует перегрузочной способности большинства SSR. Внимание! Не рекомендуется применять SSR для коммутации ртутных, флуоресцентных или разрядных ламп. Но при необходимости такого использования, SSR должны быть выбраны с существенным запасом по току и напряжению и предварительно протестированы на способность работы в данном приложении.