Анализ на работния цикъл: Влияние върху жизнения цикъл на електромагнитните релета (EMR) спрямо твърдотелните релета (SSR) при бързо превключване

В: Какъв е ефектът от работните цикли върху живота на ЕМР спрямо ТТР в среди с бързо превключване?

Отговор:

В промишлената автоматизация и проектирането на шкафове релетата са основни компоненти, използвани за включване и изключване на електрически натоварвания. При проектирането на системи с честотно превключване (например регулаторни контури за температурен контрол по метода PID в екструдери за пластмаса или пещи) инженерите трябва да избират между два различни типа превключвателни технологии: електромагнитни реле (EMR) и твърдотелни реле (SSR). Основният работен параметър, който определя успеха и продължителността на експлоатационния живот на тези реле, е работният цикъл в комбинация с честотата на превключване. Макар и двете устройства да изпълняват една и съща основна функция – управление на високомощни натоварвания чрез слаботокови сигнали – техните вътрешни конструкции са напълно различни. Тези физически разлики означават, че честотните работни цикли оказват много различно влияние върху техния експлоатационен живот. Това сравнително ръководство за B2B анализира физиката на превключването, механизмите на повреда при EMR и SSR и дава препоръки за избора на подходящата технология за вашето приложение.

Разбиране на основите: как функционират електромагнитните и твърдотелните реле

За да разберем защо работният цикъл влияе по различен начин върху тези устройства, трябва да разгледаме начина, по който са конструирани:

• Електромагнитни реле (EMR): EMR е механически превключвател. То използва намотка за управление с ниско напрежение, за да генерира магнитно поле. Това магнитно поле привлича подвижна арматура, която физически затваря или отваря метални електрически контакти. Когато захранването на намотката бъде прекъснато, вътрешна пружина връща арматурата в изходното ѝ положение.
  
• Твърдотелни реле (SSR): SSR няма подвижни части. То използва полупроводникови силови превключватели (като тиристори или триаци) за управление на товара. Входът за управление е електрически изолиран от изходния товар чрез интегриран оптоелектронен съединител. Когато се приложи входно напрежение, вътрешният светодиод свети и активира полупроводниковия превключвател, което позволява протичането на ток.
  

Определяне на работен цикъл и честота на превключване

В системите за промишлено управление коефициентът на включване представлява съотношението между активното време на включване (ON) и общото време на цикъла. Например, ако нагревателен елемент трябва да работи с 50-процентова мощност, регулаторът може да включва нагревателя за 5 секунди и да го изключва за 5 секунди (общо време на цикъла – 10 секунди, което съответства на коефициент на включване от 50 %). Това означава, че реле се включва и изключва шест пъти всяка минута.

Ако системата изисква по-висока точност, регулаторът може да намали времето на цикъла до 2 секунди, като включва устройството за 1 секунда и го изключва за 1 секунда (пак коефициент на включване от 50 %, но сега честотата на превключване се увеличава до 30 пъти на минута). Това бързо превключване с висока честота оказва различно разрушително въздействие върху електромеханичните и полупроводниковите превключватели.

Влияние на бързото превключване върху срока на експлоатация на ЕМР

Електромеханичните реле са изключително чувствителни към износване при бързи честоти на превключване, независимо от процентния коефициент на включване. Срокът им на експлоатация се определя от два основни фактора:

1. Механично износване и умора: Всеки цикъл на електромеханичен релей (EMR) включва физическо движение. Връщащата пружина изпитва механично напрежение, а арматурата удря металната спирачка. След милиони цикли връщащата пружина губи своята еластичност или се прекъсва. Стандартният EMR е проектиран за приблизително 10 милиона механични операции при нулев товар.

2. Електрическа дъгова ерозия: Основният механизъм на повреда на контактите на EMR под товар е електрическото дъгово разрушаване. Когато контактите се отварят или затварят, през тесния въздушен процеп се образува малка електрическа дъга. Тази високотемпературна дъга стопява миниатюрно количество от контактния материал. С течение на времето това води до пренасяне на материала, увеличаване на контактното съпротивление и в крайна сметка до заваряване на контактите. При бързо превключване повърхността на контактите няма достатъчно време да се охлади между циклите, което ускорява скоростта на ерозията и микрозаваряването. При стандартни електрически натоварвания срокът на експлоатация на EMR намалява от 10 милиона цикъла до 100 000 или 500 000 операции.
Ако електромеханичният реле (EMR) превключва веднъж на всеки 10 секунди, то ще натрупа приблизително 3,1 милиона цикъла за една година непрекъсната работа 24/7 това означава, че вероятно ще се повреди след няколко месеца. Следователно EMR-ите са изключително неподходящи за среди с бързо и високочестотно превключване.

Влияние на бързото превключване върху живота на твърдотелните релета (SSR)

Тъй като твърдотелните релета (SSR) нямат подвижни части или механични контакти, те не страдат от механичен износ или електрическа дъга. При условия на бързо превключване електрическият живот на SSR е теоретично безкраен. Въпреки това срокът на експлоатация на SSR-ите силно зависи от термичното напрежение и термичните цикли.

1. Температура на прехода и генериране на топлина: Когато полупроводниковият ключ е в активно състояние, между неговите клеми се проявява малко вътрешно напрежение (обикновено 1,0–1,6 V). Това напрежение, умножено по тока на товара, генерира значително вътрешно топлинно отделяне (приблизително 1–1,5 W на ампер ток на товара). Например при товар от 30 A в твърдотелен релей (SSR) се генерират 30–45 W топлина вътре в малкия полупроводников чип.

2. Топлинна умора поради топлинни цикли: В среда с бързо превключване вътрешният полупроводников преход се нагрява по време на цикъла ВКЛЮЧЕНО и се охлажда по време на цикъла ИЗКЛЮЧЕНО. Тези бързи и повтарящи се температурни колебания предизвикват термичен цикличен стрес. След милиони такива бързи термични цикли повтарящото се разширяване и свиване могат да причинят пукнатини в оловните връзки, делиминация на полупроводниковия чип от подложката и неуспех на устройството.

3. Термично управление: За да постигнат потенциала си за многогодишен срок на експлоатация в среди с бързо превключване, твърдотелните реле (SSR) трябва да се монтират върху алуминиеви топлоотводи с подходящ размер и с термичен интерфейсен материал, нанесен върху задната плоча. Топлоотводът трябва ефективно да отвежда генерираното топлинно количество, за да поддържа температурата на полупроводниковия преход значително под максималната ѝ граница.

DAQCN Решения за превключване

DAQCN е водещ производител на висококачествени промишлени електромеханични и твърдотелни реле. Нашите електромеханични реле (EMR) са проектирани с издръжливи контакти от сребро и оловен оксид за максимална устойчивост срещу дъгов разряд в общи нискочестотни приложения. За изискващи среди с бързо превключване предлагаме надеждна линейка DIN-рейл и панелни твърдотелни реле (SSR), които разполагат с напреднали изходи на тиристори (SCR), интегрирана защита срещу прегряване и специално проектирани алуминиеви топлоотводи.

Заключение

Изборът между електромеханичен реле и твърдотелно реле в среди с бързо превключване се определя от физиката на износването. За приложения с ниска честота (например системи за безопасност, които се активират само няколко пъти на ден), електромеханичните релета (EMR) са изключително икономични и осигуряват отлично физическо разделяне. Обаче за високочестотни среди с бързо превключване (например регулатори на температурата по метода PID), механичните контакти и дъговото разрушаване при EMR водят до преждевременно повреждане в рамките на седмици или месеци. В такива среди твърдотелните релета (SSR) са стандартният избор, като предлагат неограничен брой цикли на превключване, стига да са осигурени адекватни решения за термично управление. Инвестирайте още днес в подходящата технология за превключване с DAQCN. Свържете се с нашия инженерен екип за поддръжка, за да анализираме работните цикли на вашата система и да изберем идеалните компоненти EMR или SSR за вашия проект.