Содержание:
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:
Однако при выборе твердотельного реле необходимо принимать во внимание некоторые особенности их применения.
К основным проблемам при эксплуатации относятся:
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:
Кратность и длительность пусковых токов у различной нагрузки приведена в Таблице 1.
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.
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:
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.
Классы предохранителей | Защищаемые объекты | ||
---|---|---|---|
a | Выключают токи, кратные расчетному | G | Проводники |
L | Устаревшая защита проводников DIN VDE | ||
M | Коммутаторы и двигатели | ||
R | Полупроводники в том числе тиристоры | ||
g | Срабатывают в полном диапазоне от расчетного до тока плавления | S | Полупроводники и кабельные линии |
TR | Трансформаторы | ||
Pv | Солнечные батареи |
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.
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:
где:
Pi – тепловая мощность, отдаваемая i-й поверхностью в окружающую среду;
aiл – 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:
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.
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.
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.
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 ТТР Элхарт, 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:
В таблице 5 приведена сравнительная характеристика варисторов и TVS-диодов.
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.
Суть расчета заключается в анализе работы варистора в рабочем и импульсном режимах.
где:
Uном – номинальное значение действующего напряжения сети.
где:
Р – номинальная мощность нагрузки на каждую фазу;
f – частота сети;
φ – угол сдвига между током и напряжением;
γ– КПД нагрузки.
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.
Классификационное напряжение, Uкл, В | Максимально допустимое длительно действующее переменное напряжение, Urms, В | Максимально допустимое длительно действующее постоянное напряжение, Udc, В |
---|---|---|
10 | 6 | 8 |
15 | 9 | 12 |
22 | 14 | 18 |
27 | 17 | 22 |
33 | 20 | 26 |
39 | 25 | 31 |
47 | 30 | 38 |
56 | 35 | 45 |
68 | 40 | 56 |
82 | 50 | 65 |
100 | 60 | 85 |
120 | 75 | 100 |
150 | 95 | 125 |
180 | 115 | 150 |
200 | 130 | 170 |
220 | 140 | 180 |
240 | 150 | 200 |
270 | 175 | 225 |
300 | 190 | 245 |
330 | 210 | 270 |
360 | 230 | 300 |
390 | 250 | 320 |
430 | 275 | 350 |
470 | 300 | 385 |
510 | 320 | 300 |
560 | 350 | 450 |
620 | 385 | 505 |
680 | 420 | 560 |
750 | 460 | 615 |
820 | 510 | 670 |
910 | 550 | 745 |
1000 | 625 | 825 |
1100 | 680 | 895 |
1200 | 750 | 1060 |
На рисунке 5 приведена вольт-амперная характеристика (ВАХ) несимметричного TVS-диода, буквами отмечены его основные технические характеристики, которые необходимо учитывать при выборе защитного 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.).
Были рассмотрены наиболее частые причины выхода из строя твердотельных реле, описаны способы защиты, которые кратко сформулированы в таблице 6.
Причина | Способ защиты реле |
---|---|
Броски тока и короткое замыкание |
|
Превышение допустимого тока нагрузки |
|
Перенапряжение |
|
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: