Analyse av driftssyklus: Virkning på levetid for EMR versus SSR ved rask skifting

Spørsmål: Hva er innvirkningen av driftssykluser på levetiden til EMR versus SSR i miljøer med rask skifting?

Svar:

I industriell automatisering og kabinettkonstruksjon er reléer grunnleggende komponenter som brukes til å slå elektriske laster av og på. Når man designer systemer med høyfrekvente slå-av/slå-på-operasjoner (for eksempel PID-temperaturstyringsløkker i plastekstrudere eller ovner), må ingeniører velge mellom to ulike slå-av/slå-på-teknologier: elektromagnetiske reléer (EMR) og faststoffsreléer (SSR). Den viktigste driftsvariabelen som avgör suksessen og levetiden til disse reléene er driftssyklusen kombinert med slå-av/slå-på-frekvensen. Selv om begge enhetene utfører den samme grunnleggende funksjonen – å styre høyeffektlaster ved hjelp av lav-effektsignaler – er deres indre oppbygning helt forskjellig. Disse fysiske forskjellene betyr at høyfrekvente driftssykluser påvirker deres driftslevetid på svært ulike måter. Denne B2B-sammenligningsguiden analyserer fysikken bak slå-av/slå-på-funksjonen, feilmekanismene for EMR- og SSR-reléer og gir anbefalinger for hvordan du velger riktig teknologi til ditt anvendelsesområde.

Forstå grunnleggende prinsipper: Hvordan EMR-er og SSR-er fungerer

For å forstå hvorfor driftssykluser påvirker disse enhetene ulikt, må vi se på hvordan de er konstruert:

• Elektromagnetiske reléer (EMR): Et EMR er en mekanisk bryter. Det bruker en lavspenningsstyrlespole for å generere et magnetfelt. Dette magnetfeltet trekker en bevegelig armatur som fysisk lukker eller åpner metalliske elektriske kontakter. Når strømmen til spolen kuttes, returnerer en intern fjær armaturen til hvileposisjonen.
  
• Faststoffsreléer (SSR): Et SSR har ingen bevegelige deler. Det bruker halvlederbrytere (som thyristorer eller triac-er) for å styre belastningen. Styresignalet er elektrisk isolert fra utgangsbelastningen ved hjelp av en integrert optoelektronisk kobler. Når inngangsspenning påføres, lyser den interne LED-en opp og aktiverer halvlederbryteren slik at strøm kan flyte.
  

Definisjon av driftssyklus og brytefrekvens

I industrielle kontrollsystemer representerer driftssyklusen forholdet mellom aktiv «på»-tid og total sykkeltid. For eksempel, hvis et varmeelement må kjøres med 50 prosent effekt, kan kontrolleren koble varmeelementet inn i 5 sekunder og deretter ut i 5 sekunder (en total sykkeltid på 10 sekunder, som tilsvarer en driftssyklus på 50 prosent). Dette betyr at relæ kobler seg inn og ut seks ganger per minutt.

Hvis systemet krever høyere nøyaktighet, kan kontrolleren redusere sykkeltdiden til 2 sekunder, ved å koble inn i 1 sekund og ut i 1 sekund (fortsatt en driftssyklus på 50 prosent, men nå øker koblingsfrekvensen til 30 ganger per minutt). Denne hurtige, høyfrekvente koblingen påvirker elektromekaniske og halvlederbaserte brytere på ulike måter.

Virkningsgraden av rask kobling på levetiden til elektromekaniske reléer

Elektromekaniske reléer er svært utsatt for slitasje ved rask koblingsfrekvens, uavhengig av driftssyklusprosenten. Levetiden deres bestemmes av to hovedfaktorer:

1. Mekanisk slitasje og utmattelse: Hver syklus av en EMR innebär fysisk bevegelse. Fjæren som returnerer underkaster seg mekanisk spenning, og armaturen treffer metallstoppet. Etter millioner av sykler mister fjæren spenningen sin eller bryter. En standard EMR er rangert for ca. 10 millioner mekaniske operasjoner uten belastning.

2. Elektrisk bueerosjon: Den viktigste sviktmechanismen for EMR-kontakter under belastning er elektrisk buedannelse. Når kontaktene åpnes eller lukkes, dannes en liten bue over den smale luftgapet. Denne høytempererte buen smelter en liten mengde kontaktmateriale. Med tiden fører dette til materialeoverføring, økt kontaktmotstand og til slutt sveising av kontaktene. Ved rask skifting har kontaktoverflaten ikke tilstrekkelig tid til å kjøles mellom syklusene, noe som akselererer erosjonshastigheten og mikrosveisingen. Under standard elektrisk belastning reduseres levetiden til en EMR fra 10 millioner sykler til 100 000 eller 500 000 operasjoner.
Hvis en EMR bytter én gang hvert 10. sekund, vil den samle inn ca. 3,1 millioner sykler i løpet av ett år med kontinuerlig drift (24/7) drift, noe som betyr at den sannsynligvis vil svikte innen få måneder. Derfor er EMR-er svært uegnede for rask, høyfrekvent byttebruk.

Effekten av rask byttebruk på levetiden til SSR

Siden faststoffsreléer (SSR) ikke har noen bevegelige deler eller mekaniske kontakter, lider de ikke av mekanisk slitasje eller elektrisk bue. I situasjoner med rask byttebruk er den elektriske levetiden til et SSR teoretisk uendelig. Imidlertid påvirkes SSR-levetiden kraftig av termisk stress og termisk syklisering.

1. Sperrings temperatur og varmeutvikling: Når en halvlederswitch er aktiv, viser den en liten intern spenningsfall over terminalene (typisk 1,0 til 1,6 volt). Dette spenningsfallet multiplisert med laststrømmen genererer betydelig intern varme (ca. 1 til 1,5 watt per ampere laststrøm). For eksempel genererer en 30 A-last på en SSR 30 til 45 watt varme inne i den lille halvlederchipen.

2. Termisk utmattelse fra termisk syklus: I et miljø med rask veksling oppvarmes den interne halvledersperringen under ON-syklusen og kjøles ned under OFF-syklusen. Denne raske, gjentatte temperaturvariasjonen fører til termisk syklusbelastning. Etter millioner av slike raske termiske sykluser kan den gjentatte utvidelsen og sammentrekningen føre til brudd i soldeforbindelsene, avløsning av halvlederchipen fra underlaget og til slutt feil på enheten.

3. Termisk styring: For å oppnå sin potensielle levetid på flere år i miljøer med rask veksling, må faststoffsreléer (SSR) monteres på aluminiumsvarmeavledere med riktig størrelse og med termisk grensematerial anvendt på baksiden. Varmeavlederen må avlede den genererte varmen effektivt for å holde halvleder-junksjonstemperaturen langt under dens maksimale grense.

DAQCN-brytesystemer

DAQCN er en ledende produsent av høykvalitets industrielle elektromekaniske reléer og faststoffsreléer. Våre elektromekaniske reléer (EMR) er utformet med slitesterke kontakter av sølv-tinnoksid for maksimal motstand mot lysbueutvikling i allmennbruk med lav frekvens. For kravfulle miljøer med rask veksling tilbyr vi et robust utvalg av DIN-skinne- og panelmonterte SSR-er med avanserte SCR-utganger, integrert overtemperaturbeskyttelse og spesialdesignede aluminiumsvarmeavledere.

Konklusjon

Valget mellom en elektromekanisk relé og en faststoffsrelé i miljøer med rask skifting styres av fysikken bak slitasje. For applikasjoner med lav frekvens (for eksempel sikkerhetsavstengninger som går inn og ut noen få ganger per dag) er EMR-er svært kostnadseffektive og gir utmerket fysisk isolasjon. For applikasjoner med høy frekvens og rask skifting (for eksempel PID-varmeregulering) vil de mekaniske kontaktene og gnistdannelsen i EMR-er føre til tidlig svikt innen uker eller måneder. I slike miljøer er SSR-er standardvalget, og tilbyr ubegrensede skiftecykluser så lenge de er utstyrt med tilstrekkelig termisk styring. Invester i riktig skifteteknologi i dag med DAQCN. Ta kontakt med vårt tekniske støtteteam for å analysere driftscyklusene i ditt system og velge de ideelle EMR- eller SSR-komponentene for prosjektet ditt.