Способы защиты твердотельных реле, основные причины выхода из строя ТТР

Твердотельные реле ELHART
Твердотельные реле ELHART

1. Назначение твердотельного реле и причины неисправностей

Твердотельное реле (ТТР) или Solid State Relay (SSR) – это особый вид реле, осуществляющий бесконтактную коммутацию цепей переменного тока (при помощи выходного симистора) или постоянного тока (при помощи выходного транзистора), и позволяющий управлять мощными нагрузками при очень малых токах потребления. Сама входная цепь не имеет гальванической связи с выходом, что защищает управляющую цепь приборов. По сути, ТТР позволяет заменить механические коммутационные устройства: электромеханические реле, контакторы и пускатели. За счет своего принципа действия ТТР:

  • имеют более высокую надежность;
  • не имеют ресурса механического износа;
  • обеспечивают высокое быстродействие;
  • не создают звуковой шум при коммутации и во время работы;
  • малые габариты даже при больших коммутируемых токах;
  • имеют сниженный уровень излучаемых электромагнитных помех.

Однако при выборе твердотельного реле необходимо принимать во внимание некоторые особенности их применения.

К основным проблемам при эксплуатации относятся:

  1. Короткое замыкание и броски тока
  2. Превышение допустимого тока нагрузки, ведущее к перегреву
  3. Перенапряжение

2. Броски тока и короткое замыкание

По статистике, броски тока и короткое замыкание являются самыми частыми причинами выхода из строя твердотельного реле. Поэтому при подборе следует уделить особое внимание изучению характера нагрузки и значениям пусковых токов. Примерные параметры длительности и кратности пусковых токов приведены в Таблице 1. Как можно увидеть из таблицы, значения пусковых токов для индуктивной нагрузки (обмотки соленоида, электродвигатель) в несколько раз превышают номинальный ток, что накладывает определенные ограничения на твердотельные реле. В связи с этим, необходимо:

  1. Выбирать твердотельное реле со значением перегрузочной способности, соответствующим пусковому току нагрузки;
  2. Защитить саму цепь от пусковых токов.

Кратность и длительность пусковых токов у различной нагрузки приведена в Таблице 1.

Таблица 1 — Кратность и длительность пусковых токов у различной нагрузки
Потребитель Кратность пускового тока Длительность импульса пускового тока, с
ТЭН 1,05…1,1 0,5…30
Люминесцентные лампы с пусковыми устройствами 1,05…1,1 0,1…0,5
Обмотки соленоидов 10…20 0,05…0,1
Электродвигатели 7…12 0,2…3

Отдельно необходимо отметить ТТР, коммутирующие постоянный ток. Как правило, их перегрузочная способность ниже, чем у реле, коммутирующих переменный ток (см. Таблицу 2 - допустимая перегрузка по току). Это обусловлено тем, что у реле, коммутирующих постоянный ток, выходным элементом является транзистор.

Таблица 2 — Допустимая перегрузка по току
Род тока Максимально допустимая перегрузка по току в течение 10мс, А
10 А номинал 25 А номинал 40 А номинал
На переменный ток 120 300 410
На постоянный ток 90 250 380

Единственным надежным методом защиты SSR от бросков тока и коротких замыканий является установка быстродействующих плавких предохранителей. Такие предохранители разрывают цепь гораздо быстрее, чем произойдет тепловой пробой выходного элемента.

Плавкие предохранители являются устройствами однократного действия, после срабатывания они требуют замены плавкого элемента. Если ток несущественно превышает номинальное значение, вставка нагревается довольно равномерно, все получаемое тепло рассеивается в окружающую среду. При этом вставка не расплавляется. В случае значительного увеличения тока в цепи, плавкий элемент расплавляется, тем самым разрывает электрическую цепь. Плавление вставки и разрыв цепи должны произойти максимально быстро, чтобы не допустить перехода тока далее по цепи. Быстродействующие предохранители, в отличии от обычных предохранителей, имеют особую конструкцию перешейков, что позволяет сократить время плавления элемента. Поэтому одним из наиболее важных показателей таких предохранителей является показатель I²t - скорость срабатывания.

При выборе предохранителя должны выполняться следующие условия:

  1. Номинальное напряжение предохранителя должно соответствовать напряжению сети:
    Uном = Uном. сети
  2. Номинальный ток отключения предохранителя должен быть не меньше максимального тока КЗ в месте установки:
    Iном. откл > Iмакс КЗ
  3. Ток плавкой вставки должен быть больше максимального тока защищаемого устройства.
  4. При защите устройств с большими пусковыми токами, ток плавкой вставки должен быть выше, чем пусковой ток защищаемого устройства. Значения токов плавкой вставки должны быть указаны в технической документации производителя предохранителей.

Существуют несколько классов быстродействующих предохранителей, каждый из которых осуществляет определенную функцию. По международному стандарту обозначение предохранителя содержит две латинские буквы. Первая (строчная) буква обозначает класс, вторая (прописная или две буквы) обозначают защищаемый объект (см. Таблицу 3 - Расшифровка обозначений класса предохранителя). Для защиты твердотельного реле рекомендуется рассматривать предохранители классов aR -  для защиты прибора от КЗ, gR — для полной защиты и от КЗ, и от перегрузки по току. Такие предохранители используются не только для защиты ТТР, коммутирующих переменный ток, но и для защиты реле, коммутирующих постоянный ток.

Таблица 3 — Расшифровка обозначений класса предохранителя
Классы предохранителей Защищаемые объекты
a Выключают токи, кратные расчетному G Проводники
LУстаревшая защита проводников DIN VDE
MКоммутаторы и двигатели
RПолупроводники в том числе тиристоры
g Срабатывают в полном диапазоне от расчетного до тока плавления S Полупроводники и кабельные линии
TRТрансформаторы
PvСолнечные батареи

3. Превышение допустимого тока нагрузки

При протекании тока через силовой ключ, твердотельное реле нагревается. Пропускная способность симисторов и транзисторов с ростом температуры падает. Это происходит из-за смещения p-n – перехода: при увеличении температуры, увеличивается генерация пар носителей заряда, соответственно увеличивается потенциальный барьер, и таким образом, ток основных носителей заряда через p-n – переход станет равным нулю.

Зависимость максимально допустимого тока от температуры для ТТР с номинальным током нагрузки 10А представлена на графике (Рисунок 1). Из графика видно, что без использования радиатора предельный ток составляет 5 А вместо 10 А при использовании радиатора. С ростом температуры пропускная способность уменьшается. Сам выходной элемент нанесен на металлическую поверхность, что позволяет передавать тепло напрямую на металлическую основу реле. Однако, всегда необходимо дополнительно использовать радиаторы.

График зависимости значений коммутируемого тока от температуры твердотельного реле
Рисунок 1 — График зависимости значений коммутируемого тока от температуры твердотельного реле
Монтаж однофазного ТТР на радиатор
Рисунок 2 — Монтаж однофазного ТТР на радиатор

Радиаторы охлаждения изготавливаются из алюминия. Для каждого реле необходим соответствующий, рассчитанный по параметрам радиатор. Радиаторы между собой отличаются габаритными размерами, конфигурацией, количеством и расположением ребер.

При тепловом расчете вся поверхность радиатора разбивается на n частей, для каждой из которых составляется уравнение теплового баланса. Суммарная мощность рассчитывается по формуле:

P = i = 1 n P i = i = 1 n a ( t i t ic ) S i P = sum from{i=1} to{n} P_i = sum from{i=1} to{n} a_ln ( t_i - t_ic ) S_i

где:
Pi – тепловая мощность, отдаваемая i-й поверхностью в окружающую среду;
a – коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием i-й поверхности;
ti – температура i-й поверхности;
tic - температура окружающей среды вблизи i-й поверхности,
si – площадь i-й поверхности.

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием является функцией от:

a = f ( t s , t c , i ) a_iл = f(t_s, t_c, wp_i)

где:
ts - среднеповерхностная температура,
tc - температура охлаждающей среды,
i - коэффициент облученности поверхности, который рассчитывается в зависимости от формы радиатора.

Данный расчет является достаточно упрощенным - можно использовать различные онлайн-калькуляторы, вводя некоторые известные параметры. Как правило, производитель уже предлагает клиенту радиатор, конкретно рассчитанный на определенные модели ТТР. Например, для твердотельных реле ELHART, модели радиаторов для каждого ТТР приведены в Таблице 4.

                                                                                                                                                                                                             
Таблица 4 – Подбор радиаторов для твердотельных реле ELHART
Модель Ток нагрузки, А
10 25 40 60 80 100 120 150 200 300 400
ESS1-DA H1-020 H1-040 H1-040 H1-060 H3-040            
ESS1-AA H1-020 H1-040 H1-040 H1-060 H3-040            
ESS1-DD H1-020 H1-040 H1-040                
ESS1-LA    H1-040 H1-040   H3-040            
ESS1-PA H1-020 H1-040 H1-040   H3-040            
ESH1-DA           H3-080 H3-080 H3-080 H3-150 H3-150 H3-150
ESH1-DAH                 H3-150 H3-150 H3-150
ESS3-DA H3-040 H3-040 H3-040 H3-040 H3-080 H3-080 H3-150        
ESS3-AA H3-040 H3-040 H3-040 H3-080 H3-080 H3-150          

Один и тот же радиатор охлаждения может быть использован для нескольких модификаций твердотельных реле. Например, на радиатор H3-040 для трехфазного реле на 40А (ESS3-DA-040), можно установить 2 однофазных твердотельных реле до  60А (ESS1-DA-060), поскольку суммарная электрическая мощность в обоих случаях одинакова. Пример монтажа однофазных и трехфазного реле на радиатор H3-040 представлен на Рисунках 3 и 4 соответственно.

Монтаж двух реле ESS1-DA-060 на радиатор H3-040
Рисунок 3 – Монтаж двух реле ESS1-DA-060 на радиатор H3-040
Монтаж реле ESS3-DA-040 на радиатор H3-040
Рисунок 4 – Монтаж реле ESS3-DA-040 на радиатор H3-040

Перед установкой ТТР на радиатор, рекомендуется заполнить неровности и углубления поверхностей реле и радиатора тонким слоем кремний-органической теплопроводной пасты.

Алюминиевый радиатор имеет довольно хороший коэффициент теплопроводности. Таким образом, если две поверхности – ТТР и радиатора будут идеально прилегать друг к другу, то отвод тепла от реле будет достаточно эффективен. Однако, без использования термопасты это невозможно, так как в этом случае всегда есть неровности и углубления между двумя поверхностями, где обязательно присутствует воздух. Воздух, в свою очередь, имеет весьма низкий коэффициент теплопроводности, т.е. через воздух тепло практически не передается. В то время как у термопасты коэффициент теплопроводности гораздо выше. Толстый слой пасты замедляет теплоотдачу, а неравномерный слой увеличивает количества пустот, и смысл использования радиатора исчерпывается. Поэтому пасту следует наносить тонким равномерным слоем.

На сегодняшний день на рынке представлено множество видов термопаст. Наиболее распространенные КПТ-8, МХ-4, ZM-STG2, NT-H1 и некоторые другие. На упаковке производитель всегда указывает показатель теплопроводности, показатель теплового сопротивления и диапазон рабочих температур. Пасту следует подбирать по этим параметрам, исходя из рабочих условий. Также они отличаются друг от друга химическим составом, цветом, техническими характеристиками и соответственно ценой.

К тому же интенсивность теплообмена зависит от скорости обдува воздухом ребер радиатора. Ориентация должна быть такой, чтобы ребра располагались параллельно потоку воздуха. Если происходит расчет требуемой мощности вентилятора, обязательно необходимо учитывать тепловыделения от ТТР. В случае отсутствия вентилятора, желательно располагать SSR внизу шкафа, поскольку естественная циркуляция, как правило, имеет направление снизу вверх.

4. Перенапряжение твердотельного реле

Перенапряжение - это третий весьма нежелательный аспект для твердотельного реле. Перенапряжение на производстве это довольно частое явление, которое может возникнуть в результате появления электромагнитных импульсов из-за грозовых разрядов, при отключении емкостной или индуктивной нагрузки и так далее. Для работы твердотельного реле Elhart, максимальное допустимое напряжение составляет 440 В, что является достаточно высоким значением среди прочих ТТР. Однако следует заметить, что если на текущем производстве реле часто подвержено воздействию повышенного напряжения, то не стоит пренебрегать дополнительной защитой. Как упоминалось выше, силовые ключи у ТТР выполнены на основе тиристоров или симисторов, которые под влиянием импульсных помех могут самостоятельно открываться. Также напряжение, прикладываемое к силовым ключам ТТР, не должно быть выше предельного значения, так как может произойти электрический пробой, и силовой ключ выйдет из строя.

В качестве защиты от импульсов напряжения рекомендуется:

  1. Установить RC-цепочку (последовательно включенные в цепь конденсатор и резистор). Данная цепочка предназначена для ограничения скорости нарастания напряжения. Твердотельное реле ELHART серии ESS и ESH имеют встроенную RC-цепочку, таким образом, данная рекомендация актуальна для ТТР других производителей, не оборудованных встроенной RC-цепочкой.
  2. Установить варистор (подключается параллельно каждой фазе коммутируемой цепи). Для защиты цепей переменного тока.
  3. Установить TVS-диод (подключается параллельно индуктивной нагрузке и контактам ТТР). Для защиты цепей постоянного тока.

В таблице 5 приведена сравнительная характеристика варисторов и TVS-диодов.

Таблица 5 – Сравнение элементов защиты от перенапряжения SSR
  Преимущества Недостатки
Варистор Высокое значение допустимого тока. Низкая цена. Широкий диапазон рабочих токов и напряжений Ограниченный срок службы. Высокое напряжение ограничения. Высокая собственная емкость. Затруднительность поверхностного крепления
TVS-диод Высокая долговечность и надежность. Широкий диапазон рабочих напряжений. Высокое быстродействие. Низкая собственная емкость. Идеально подходит для поверхностного монтажа Бесполезны при низких напряжениях. Низкое значение номинального импульсного тока. Относительно высокая стоимость

Для подбора защитного элемента ТТР стоит руководствоваться некоторыми правилами.

Методика подбора варистора:

Суть расчета заключается в анализе работы варистора в рабочем и импульсном режимах.

  1. Рабочий режим определяется на основе классификационного напряжения – это такое предельное напряжение, при длительной работе которого варистор не перегревается. Определяем классификационное напряжение, основываясь на данных из таблицы 5, исходя из максимального напряжения сети.
  2. Рассчитываем максимальное действующее напряжение сети, с учетом 20% разброса: U макс = 1,2 U ном U_{макс} = 1,2 cdot U_{ном}

    где:
    Uном – номинальное значение действующего напряжения сети.

  3. Импульсный режим определяется расчетом максимальной мгновенной энергии и расчетом максимального напряжения.
  4. Рассчитываем мгновенную энергию на варисторе - это величина энергии импульса в джоулях, которую рассеивает варистор в виде тепла, не подвергаясь при этом разрушению: E = P tan ( φ ) 2 π f γ E = {P cdot tan(φ) } over {2 cdot %pi cdot f cdot γ}

    где:
    Р – номинальная мощность нагрузки на каждую фазу;
    f – частота сети;
    φ – угол сдвига между током и напряжением;
    γ– КПД нагрузки.

  5. Рассчитываем максимальное напряжение на варисторе: U макс вар = k U кл U_{макс~вар} = k cdot U_{кл}

    где:
    Uкл – классификационное напряжение варистора;
    k – коэффициент защиты варистора.

Получив эти данные, можно смело подбирать варистор под текущую задачу, сравнивая технические характеристики варистора с расчетными.

Таблица 5 – Соответствие классификационного напряжения варистора и максимально допустимого напряжения, приложенного к варистору
Классификационное напряжение, Uкл, В Максимально допустимое длительно действующее переменное напряжение, Urms, В Максимально допустимое длительно действующее постоянное напряжение, Udc, В
1068
15912
221418
271722
332026
392531
473038
563545
684056
825065
1006085
12075100
15095125
180115150
200130170
220140180
240150200
270175225
300190245
330210270
360230300
390250320
430275350
470300385
510320300
560350450
620385505
680420560
750460615
820510670
910550745
1000625825
1100680895
12007501060

Правила подбора

На рисунке 5 приведена вольт-амперная характеристика (ВАХ) несимметричного TVS-диода, буквами отмечены его основные технические характеристики, которые необходимо учитывать при выборе защитного диода.

Рисунок 4 – ВАХ несимметричного  TVS-диода
Рисунок 5 – ВАХ несимметричного TVS-диода

А - значение максимального импульсного напряжения ограничения (Uимп. огр. макс);
В - значение напряжения пробоя (Uпроб);
C - значение постоянного обратного напряжения (Uобр);
D - значение постоянного обратного тока (Iобрат);
E - значение тока пробоя (Iпроб);
F - значение максимального тока ограничения (Iмакс огр.).

  1. Параметр обратного напряжения диода должен быть близок по значению к номинальному напряжению нагрузки:
    Uобр ≈ Uнагруз
  2. Рабочий ток диода должен быть близок к номинальному току нагрузки:
    Iраб ≈ Iнагруз
  3. Значение напряжения пробоя должно быть выше значения максимального пикового напряжения сети:
    Uпроб > Uмакс сети
  4. Значение максимального тока ограничения (максимальное значение импульса тока, которое способен выдержать диод без саморазрушения) не должно быть значительно завышено;
  5. Определяем значение максимально допустимой импульсной мощности:
    Pмакс имп. = Uимп. огр. макс · Iмакс огр.

4. Заключение:

Были рассмотрены наиболее частые причины выхода из строя твердотельных реле, описаны способы защиты, которые кратко сформулированы в таблице 6.

Таблица 6 – Сводная таблица способов защиты ТТР
Причина Способ защиты реле
Броски тока и короткое замыкание
  1. Комплектация реле быстродействующими плавкими предохранителями
  2. Выбор реле на больший токовый диапазон
Превышение допустимого тока нагрузки
  1. Использование радиатора охлаждения
  2. Использование термопроводной пасты
  3. Организация внешнего обдува воздуха
Перенапряжение
  1. Установка RC-цепочки (в случае ее отсутствия)
  2. Установка варистора (если ТТР коммутирует переменный ток)
  3. Установка TVS-диода (если ТТР коммутирует постоянный ток)

Зачастую ТТР не имеют альтернативы по функционалу и стоимости в системах регулирования температуры с применением ТЭНов (например, при работе совместно с температурными регуляторами ELHART ECD2), также они хорошо себя зарекомендовали в системах контроля работы трансформаторов, регулировки освещения и других системах. Соблюдение всех перечисленных мер предосторожности позволит значительно увеличить срок службы твердотельных реле, что положительно скажется на отказоустройчивости и стоимости обслуживания системы в целом.

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Ядыкина О.А.

Список использованной литературы:

  1. А.И. Ансельм, Введение в теорию полупроводников, «Лань», 2016
  2. Е.А. Москатов, Электронная техника, «Кнорус», 2017
  3. В.А. Медведев, Конструирование преобразователей, ТГУ, 2015

 Наверх