Специальные случаи применения

электромагнитных реле

Авторы не стремятся начать полемику с любителями полупроводниковых реле на основе транзисторов, тиристоров и МОП-структур с оптическим каналом. Полупроводники никто отменять не собирается, и задачей инженера при выборе коммутационного элемента является совмещение возможного (технических показателей) с допустимым (ценой и надежностью). Авторы своей статьи ставят своей задачей помочь разработчику преодолеть некоторые весьма распростаненные трудности, решить рпактические задачи и при этом не разориться на изысканные и дорогие решения. Дополнительной задачей является приглашение инженеров к знакомству с достоинствами мощной электромеханики.

Мощные электромагнитные реле относятся к электромеханическим компонентам и совмещают в своей конструкции электромагнит, механическую систему и набор электрических контактов. Электромагнит притягивает якорь, который через механическую систему переключает контакты. В нашем случае эти контакты мощные, способные коммутировать токи значительной величины при высоких напряжениях. Всякий разработчик, встречавший на практике необходимость коммутации больших токов или высоких напряжений при помощи реле, замечал возникающие при этом сложности и в меру сил старался их преодолеть.

О сложностях потом, а сейчас посмотрим, где требуется коммутировать большие токи при помощи реле. Электромагнитное реле обладает рядом преимуществ, отсутствующих у полупроводниковых конкурентов:

• способность коммутации нагрузок мощностью до 4 кВт при объеме реле менее 10 см3;
• устойчивость к импульсным перенапряжениям и разрушающим помехам, появляющимся при разрядах молний и в результате коммутационных процессов в высоковольтной электротехнике;
• исключительная электрическая изоляция между управляющей цепью (катушкой) и контактной группой — последний стандарт 5 кВ является недоступной мечтой для подавляющего большинства полупроводниковых ключей;
• малое падение напряжения на замкнутых контактах, и, как следствие, малое выделение тепла: при коммутации тока 10 А малогабаритное реле суммарно рассеивает на катушке и контактах менее 0,5 Вт, в то время как симисторное реле отдает в атмосферу более 15 Вт, что, во-первых, требует интенсивного охлаждения, а во-вторых, усугубляет парниковый эффект на планете;
• экстремально низкая цена электромагнитных реле по сравнению с полупроводниковыми ключами: экономичность была, есть и будет решающим фактором для подавляющего большинства промышленных разработок.

Отмечая достоинства электромеханики, отметим и недостатки реле: малая скорость работы, ограниченный (хотя и очень большой) электрический и механический ресурс, создание радиопомех при замыкании и размыкании контактов и, наконец, последнее и самое неприятное свойство — проблемы при коммутации индуктивных нагрузок и высоковольтных нагрузок на постоянном токе. Это и есть специальные случаи, создающие трудности при выборе и эксплуатации реле, а выявлению и преодолению этих трудностей и посвящена настоящая статья.

Типовая практика применения мощных электромагнитных реле — это коммутация нагрузок на переменном токе 220 В или на постоянном токе от 5 до 24 В при токах коммутации до 10–16 А. Обычными нагрузками для контактных групп мощных реле являются нагреватели, маломощные электродвигатели (например, вентиляторы и сервоприводы), лампы накаливания, электромагниты и прочие активные, индуктивные и емкостные потребители электрической мощности в диапазоне от 1 Вт до 2–3 кВт. Типичные для практики нагрузки отличаются малой индуктивностью, точнее, малой постоянной времени — не более 10 мс, небольшими перегрузками по току при включении и отсутствием выбросов напряжения при выключении.

С индуктивностью нагрузки и выбросами напряжения самоиндукции можно еще мириться при напряжении питания 12 или 24 В, потому что контакты реле очень хорошо коммутируют низковольтные индуктивные нагрузки — именно поэтому в автомобильной электронике с мощными реле никаких проблем нет. При росте напряжения, уже начиная с 30 В, технические проблемы постепенно проявляются и отягощаются по мере увеличения мощности нагрузки, в полной мере отравляя инженеру жизнь при напряжении выше 100 В при токе нагрузки более 0,1 А.

Работа с напряжением 220 В типична для промышленной электротехники и автоматики, где повсеместно применяются источники резервного питания на основе аккумуляторных батарей с напряжением 220 В. На электростанциях все жизненно важные системы (в основном, клапаны и электромоторы) питают только от источников гарантированного постоянного тока 220 В. В технике связи работают с постоянными токами 48 или 60 В (питание АТС и всевозможного связного оборудования) и там тоже есть необходимость в коммутации достаточно больших токов.

На переменном токе все обрастает проблемами при необходимости коммутации индуктивных нагрузок при напряжении, скажем, 220 В. Электромоторы, например, не только создают при включении десятикратные перегрузки по току, но и обладают вредной привычкой отдавать в питающую цепь высоковольтные всплески напряжения при отключении тока, так сказать, «на прощание». Контакты реле здесь страдают дважды: первый раз от перегрузки по току при включении электродвигателя, второй раз — от искрения (электрической дуги), вызванного высоким напряжением самоиндукции. Подобно электромотору ведет себя и соленоид, полным аналогом которого является обычный для промышленной электротехники магнитный пускатель. О таких коварных свойствах известно давно, и все нагрузки по степени их сложности классифицированы следующим образом.

Нагрузки категории АС-1 и АС-2 — самые простые для эксплуатации, при таких режимах реле можно выбрать, исходя из его паспортной коммутационной способности. Например, для реле производства RELPOL серии RM96 в каталоге указано, что при 250 В контактная группа реле может коммутировать, то есть включать и выключать, до 8 А. По сути, в каталоге указан режим коммутации АС-1. Для большинства реле в каталогах также указывается зависимость снижения рабочего тока от cos нагрузки. На рис. 1 показан такой график для упомянутого реле RM96.

Такая зависимость указывает инженеру на необходимость снижения тока коммутации при росте cos j Реально для качественного реле рабочий ток коммутации при cos j = 0,5 должен быть не менее 80% от паспортного значения для резистивной нагрузки, в противном случае контакты реле спроектированы без запаса по рассеиваемой тепловой мощности и для коммутации индуктивных нагрузок малопригодны.

Небольшое примечание. Авторы статьи за последние пять лет купили и разобрали несколько десятков реле всевозможных производителей (в основном азиатских) и обнаружили интересное явление: практически все исследованные сверхминиатюрные реле, по каталогу сертифицированные на рабочие токи даже до 12 А, имели внутри очень миниатюрные и легкие контакты, неподходящие для коммутации индуктивных нагрузок. «Коммутационные» эксперименты показали, что при cos j = 0,5 при рабочем напряжении 220 В коэффициент снижения коммутируемого тока у таких реле был равен примерно 4–5 (то есть всего 20–25 % от паспортного значения). Для нагрузки категории АС-2 одно из таких реле с надписью на корпусе 12 А Pilot Duty было способно без перегрева контактов коммутировать менее 3 А! Реально из-за малого зазора между контактами такие реле не способны надежно разрывать нагрузки класса АС-2 при токе более 2 А и тем более не годятся для мощных индуктивных нагрузок постоянного тока при напряжении выше 24 В. Между прочим, принятый в американской электротехнике термин Pilot Duty указывает на резистивную нагрузку. Кратковременная нагрузка 12 А для контактов такого реле хотя и возможна, но контакты не выдержат индуктивные нагрузки.

Таблица 1. Категории нагрузок для цепей переменного тока

Кроме переменного тока докучает инженерам и постоянный, на котором индуктивные нагрузки ведут себя для контактов реле еще агрессивнее. В таблице 2 перечислены категории нагрузок постоянного тока. Для контактов сравнительно безопасна нагрузка класса DC-1, да и то при напряжении коммутации менее 60 В. Остальные категории нагрузок DC вызывают образование электрической дуги при выключении и создают при включении мощные перегрузки по току.

Таблица 2. Категории нагрузок для цепей постоянного тока

В каталогах заводы иногда указывают максимальную мощность электродвигателя, которым способны управлять контакты производимых ими реле. Часто этот параметр указан на корпусе реле, хотя это более или менее обязательно только для реле, производимых для США и Канады. Даже при отсутствии каталога много информации можно почерпнуть из надписей, нанесенных на корпус реле. На рис. 2 фотография корпуса типичного промышленного реле, а надписи на корпусе расшифровываются так:

• RM93P — марка реле, заводское название;
• 250 V 8 A AC1 — вид нагрузки для сертификации контактов;
• 24 В — напряжение катушки, рядом, кстати, изображение катушки в американском стандарте, а далее следует схема расположения контактов и выводов катушки;
• В — один из знаков сертификации (Польша);
• 10 А 250 В RES — это относится к сертификации UL и CSA (США и Канада), RES означает «резистивная нагрузка»;
• 10 А 24 В 115 В — это относится к (слабо) индуктивным нагрузкам;
• 1/4 HP @ 120 В — контакт реле может включать и выключать асинхронный электродвигатель мощностью до 1/4 лошадиной силы (HP=Horse Power), примерно 200 Вт при напряжении 120 В;
• В300 PILOT DUTY — относится к категории изоляции реле.

Заметим, что в американской сертификации это реле пригодно для коммутации тока 10 А, а в европейской сертификации допускается рабочий ток до 8 А. Контакты этого реле показаны на рис. 3.

Для обеспечения возможности коммутации индуктивных нагрузок или для работы с большими перегрузками по току контакты реле должны обладать определенной массивностью и равномерно отводить тепло от точки контакта. По этим же соображениям токоподвод к контакту должен иметь большую поверхность для активного отвода тепла от контакта. На переходное сопротивление контакта его массивность не влияет, но если сделать контакт очень легким, то при искрении или перегрузках по току контакт будет сильно перегреваться (до +200 °С и выше), притом без быстрого и надежного отвода тепла на выводы реле и в окружающую среду, что непременно вызовет:

• активное окисление металла контакта (плохо, растет сопротивление контакта);
• перегрев контактной пружины (токоподвода) и потерю пружинящих свойств (очень плохо, контакт становится нестабильным);
• перегрев внутри корпуса реле и активное газовыделение из пластика;
• взаимодействие коррозирующих газов с материалом контактов и образование полимерных пленок на поверхности контактов (совсем плохо, растет сопротивление контакта и повышается их износ).

Итак, для контактов реле сложными являются нагрузки, представленные в таблице 3.

Таблица 3

Для таких случаев при коммутации основная нагрузка для контактов реле создается перегрузкой по току, например, при разгоне электродвигателей и по напряжению — высоковольтная самоиндукция, характерная, например, для электромагнитных клапанов.

В особую область нагрузок необходимо выделить лампы накаливания, которые вроде бы являются активной нагрузкой, а на деле при включении холодная нить накаливания обладает в 10 раз меньшим сопротивлением, чем разогретая до белого каления. Время разогрева нити достаточно длительное: на переменном токе длительность прогрева для лампы мощностью 100 Вт составляет 300 мс, поэтому лампа накаливания — тоже сложная нагрузка для контактов реле. Заглянем в каталог и найдем, что отличное промышленное реле с гарантированным ресурсом 100000 коммутаций для резистивной нагрузки 16 А, 250 В (4000 Вт) способно 100000 раз включить лампу накаливания, но уже мощностью 1000 Вт, то есть всего 25% от «резистивной» мощности! Всему виной десятикратные перегрузки при включении. Есть о чем задуматься, глядя на привычную и внешне безобидную лампочку.

Специальное примечание: многие проблемы коммутации для контактов электромагнитного реле также остаются проблемами и для полупроводниковых реле. В частности, симисторное реле на 25 А для нагрузок категории АС-1 надежно коммутирует всего 7 А для «электромоторных» нагрузок категории АС-3. Такое же понижение рабочего тока указывается и для нагрузок в виде ламп накаливания. На рис. 4 показаны переходные процессы для различных нагрузок (потребление тока как функция времени при включении нагрузки).

Эти перегрузки — токовые, но для индуктивных нагрузок характерны перегрузки, связанные с напряжением самоиндукции. Здесь нет нагрузки контактов по току, зато присутствует высоковольтное напряжение, прикладываемое к промежутку между контактами реле. Расстояние между разомкнутыми контактами реле определяется только конструкциейреле. Чем больше это расстояние, тем больше времени требуется для включения реле, а время включения всегда стараются свести к минимуму. Кроме того, если при большом расстоянии между контактами конструкторы хотят сохранить малое время включения, то неизбежно растет мощность катушки и связанный с этим дополнительный перегрев реле. Как всегда, побеждает разумный компромисс и для настоящих промышленных реле выбирается расстояние между контактами от 0,4 до 0,8 мм. (При прикладывании к контактам напряжения самоиндукции между контактами реле развивается электрическая дуга. Температура дуги достигает +2000–5000 °С, что практически мгновенно разогревает контакты до +100 °С и выше. Так как контакты в этот момент размыкаются, то дуга погасает с ростом зазора между контактами — это в идеальном случае.)

Если реле сделано правильно, контакты массивные, а токоподвод широкий, то тепло от контактов отводится эффективно и разрушения контактов не происходит. В неидеальном мире встречаются мощные индуктивные нагрузки с малым внутренним сопротивлением и высокой добротностью, достигающей 20 и более. Практически это означает, что при рабочем напряжении на нагрузке 220 В при отключении тока появляется импульсное напряжение самоиндукции с амплитудой до 5 кВ. Зная, что пробивное напряжение в воздухе составляет 30 кВ/см, легко рассчитать, что напряжения 5 кВ без труда хватит для уверенного «пробоя» промежутка между контактами, равного 1,5 мм. При зазоре между контактами, равном 0,6 мм, следствием будет генерация незатухающей электрической дуги, которая быстро разрушит контакты. Но не надо паники, все еще зависит и от тока коммутации.

Из этого графика видно, как сложно коммутировать большие индуктивности на постоянном токе, но коммутировать их все-таки надо — промышленность требует. Спрос рождает предложение, и появляются особые конструкции промышленных реле, способные коммутировать большие токи при напряжении 220 В. Такие реле конструктивно выполнены по следующим схемам:

• с магнитным полем на контактах (сбоку от контактного промежутка установлен мощный магнит, сдувающий дугу) — отличное решение, дающее возможность разрыва тока 10 А при 220 В, но и очень дорогое, а потому малораспространенное;
• с большим контактным промежутком и специальным толкателем в механической системе реле. Это удобное и заодно недорогое решение, нашедшее поддержку в промышленных реле.

На рис. 6 показана фотография контактов как раз такого специального реле серии RM73, причем видна только одна половина контактной группы.

Контакт тут мостиковый, как в магнитных пускателях, поэтому общий контактный промежуток составляет более 6 мм, а механическая система позволяет обойтись катушкой мощностью 0,4 Вт. Реле RM73 способно без снижения коммутационного ресурса (100 000 переключений) коммутировать чисто резистивные нагрузки мощностью до 1,5 А, 240 В и LR-нагрузки 0,8 А, 240 В с постоянной времени 20 мс (сравните с «обычным» реле, DC-характеристики которого показаны на рис. 5). Кстати, на переменном токе контакты RM73 переключают активные нагрузки 16 А, 250 В или электродвигатели (режим АС-3) мощностью до 1 кВ.A. Последнее и есть главная область применения RM73, разработанного для систем отопления, кондиционирования воздуха и вентиляции.

Заканчивая статью, сделаем несколько практических выводов:

1. Сложные нагрузки для контактов реле очень распространены в промышленности.
2. Электромагнитное реле является удобным коммутационным элементом и пока незаменимо в промышленной автоматике.
3. Для коммутации сложных нагрузок при помощи электромагнитных реле контактные группы должны быть рассчитаны на большие токовые перегрузки.
4. При коммутации индуктивных нагрузок контакты реле должны выдерживать сильный перегрев, вызванный образованием электрической дуги при отключении нагрузки.
5. Правильно сконструированное промышленное реле способно противостоять перегрузкам, но при выборе реле для конкретной конструкции разработчику необходимо внимательно изучить каталог и учесть возможное снижение коммутируемой мощности или электрического ресурса.
6. Для важных проектов инженеру необходимо ответственно отнестись к выбору реле, вплоть до практического изучения конструкции реле и его контактов.
7. Контакты реле можно защищать специальными схемами, конфигурация защиты зависит от конкретного применения.

Для консультации по схемотехнике защитных схем для контактов можно обращаться к производителю реле или его дистрибьютору.

Авторы выражают признательность испытательной лаборатории завода RELPOL за технические консультации.

Мы также благодарны нашим заказчикам, предоставившим нам практические данные по надежности реле различных производителей и допустимым перегрузкам контактов реле.

Георгий Парусов,
Дмитрий Малиновский

Статьи по: ARM PIC AVR MSP430, DSP, RF компоненты, Преобразование и коммутация речевых сигналов, Аналоговая техника, ADC, DAC, PLD, FPGA, MOSFET, IGBT, Дискретные полупрoводниковые приборы. Sensor, Проектирование и технология, LCD, LCM, LED. Оптоэлектроника и ВОЛС, Дистрибуция электронных компонентов, Оборудование и измерительная техника, Пассивные элементы и коммутационные устройства, Системы идентификации и защиты информации, Корпуса, Печатные платы