Анализ рабочего цикла: влияние на срок службы электромагнитных реле (EMR) по сравнению с твердотельными реле (SSR) при быстром переключении

Вопрос: Как влияет коэффициент включения на срок службы ЭМР по сравнению с ТТР в средах с быстрым переключением?

Ответ:

В промышленной автоматизации и проектировании шкафов реле являются базовыми компонентами, используемыми для включения и выключения электрических нагрузок. При проектировании систем с высокочастотными коммутационными операциями (например, контурами ПИД-регулирования температуры в пластиковых экструдерах или печах) инженеры должны выбирать между двумя различными технологиями переключения: электромагнитными реле (EMR) и твердотельными реле (SSR). Основной эксплуатационный параметр, определяющий успешность работы и срок службы таких реле, — это коэффициент заполнения в сочетании с частотой переключения. Хотя оба устройства выполняют одну и ту же базовую функцию — управление высокомощными нагрузками с помощью низкомощных сигналов — их внутренняя конструкция принципиально различна. Эти физические различия означают, что высокочастотные циклы включения/выключения влияют на срок службы устройств совершенно по-разному. В данном B2B-сравнительном руководстве анализируются физические процессы при коммутации, механизмы отказов EMR и SSR, а также приводятся рекомендации по выбору подходящей технологии для вашей конкретной задачи.

Понимание основ: принцип работы электромагнитных и твердотельных реле

Чтобы понять, почему цикл включения/выключения по-разному влияет на эти устройства, необходимо рассмотреть их конструкцию:

• Электромагнитные реле (EMR): EMR — это механический выключатель. В нем используется управляющая обмотка низкого напряжения, создающая магнитное поле. Это магнитное поле притягивает подвижный якорь, который физически замыкает или размыкает металлические электрические контакты. При отключении питания обмотки внутренняя пружина возвращает якорь в исходное положение.
  
• Твердотельные реле (SSR): SSR не имеют подвижных частей. Для управления нагрузкой в них используются полупроводниковые силовые ключи (например, тиристоры или тринисторы). Управляющий вход электрически изолирован от выходной нагрузки с помощью встроенного оптоэлектронного симистора. При подаче входного напряжения внутренний светодиод излучает свет, активируя полупроводниковый ключ и позволяя протекать току.
  

Определение цикла включения/выключения и частоты переключения

В системах промышленного управления скважность представляет собой отношение времени активного включения (ON) ко всему времени цикла. Например, если нагревательный элемент должен работать на 50 % мощности, контроллер может включать нагреватель на 5 секунд, а затем выключать его на 5 секунд (общее время цикла составляет 10 секунд, что соответствует скважности 50 %). Это означает, что реле переключается шесть раз в минуту в положение ВКЛ и ВЫКЛ.

Если система требует более высокой точности, контроллер может сократить время цикла до 2 секунд, включая устройство на 1 секунду и выключая его на 1 секунду (скважность по-прежнему составляет 50 %, однако частота переключений возрастает до 30 раз в минуту). Именно такое высокочастотное быстрое переключение по-разному снижает ресурс электромеханических и полупроводниковых коммутаторов.

Влияние быстрого переключения на срок службы электромеханического реле

Электромеханические реле чрезвычайно чувствительны к износу при воздействии высоких частот переключения, независимо от значения скважности. Их срок службы определяется двумя основными факторами:

1. Механический износ и усталость: каждый цикл работы электромагнитного реле (EMR) сопровождается физическим перемещением компонентов. Возвратная пружина испытывает механическое напряжение, а якорь ударяется о металлический упор. После миллионов циклов возвратная пружина теряет натяжение или ломается. Стандартное электромагнитное реле рассчитано примерно на 10 миллионов механических операций при отсутствии нагрузки.

2. Электрическая дуговая эрозия: основным механизмом отказа контактов электромагнитного реле (EMR) под нагрузкой является электрическая дуга. При размыкании или замыкании контактов через узкий воздушный зазор возникает небольшая электрическая дуга. Эта высокотемпературная дуга расплавляет незначительное количество контактного материала. Со временем это приводит к переносу материала, повышению переходного сопротивления контактов и, в конечном итоге, к их свариванию. При быстром переключении поверхность контактов не успевает охладиться между циклами, что ускоряет эрозию и образование микросварок. При стандартных электрических нагрузках срок службы электромагнитного реле снижается с 10 миллионов циклов до 100 000 или 500 000 операций.
Если электромеханическое реле (EMR) переключается один раз каждые 10 секунд, то за один год непрерывной работы (24/7) оно выполнит приблизительно 3,1 миллиона циклов, что означает, что его выход из строя, скорее всего, произойдёт в течение нескольких месяцев. поэтому электромеханические реле (EMR) крайне непригодны для сред с быстрым и высокочастотным переключением.

Влияние быстрого переключения на срок службы твёрдотельных реле (SSR)

Поскольку твёрдотельные реле (SSR) не имеют подвижных частей или механических контактов, они не подвержены механическому износу или электрической дуге. В условиях быстрого переключения электрический ресурс SSR теоретически бесконечен. Однако срок службы SSR сильно зависит от термических нагрузок и термоциклирования.

1. Температура перехода и выделение тепла: Когда полупроводниковый ключ находится в активном состоянии, между его выводами возникает небольшое внутреннее падение напряжения (обычно от 1,0 до 1,6 В). Это падение напряжения, умноженное на ток нагрузки, приводит к значительному выделению тепла внутри устройства (примерно от 1 до 1,5 Вт на каждый ампер тока нагрузки). Например, при токе нагрузки 30 А твердотельное реле (SSR) выделяет внутри малого полупроводникового кристалла от 30 до 45 Вт тепла.

2. Тепловая усталость из-за термоциклирования: В условиях быстрого переключения температура внутреннего полупроводникового перехода повышается во время включённого состояния (ON) и снижается во время выключенного состояния (OFF). Такие быстрые и многократные колебания температуры вызывают термоциклические нагрузки. В результате миллионов таких быстрых термоциклов повторяющиеся расширение и сжатие могут привести к разрушению паяных соединений, расслоению полупроводникового кристалла от подложки и выходу устройства из строя.

3. Тепловой менеджмент: Для реализации потенциального многолетнего срока службы в условиях быстрого переключения твердотельные реле (SSR) должны устанавливаться на алюминиевые радиаторы соответствующего размера с применением термоинтерфейсного материала на задней панели. Радиатор должен эффективно рассеивать выделяемое тепло, чтобы поддерживать температуру p-n-перехода полупроводника значительно ниже её максимального предела.

Решения DAQCN для коммутации

DAQCN — ведущий производитель высококачественных промышленных электромеханических и твердотельных реле. Наши электромеханические реле (EMR) оснащены контактами из серебряно-оловянно-оксидного сплава повышенной прочности, обеспечивающими максимальную стойкость к дуговому разряду в универсальных низкочастотных приложениях. Для требовательных условий быстрого переключения мы предлагаем надёжную линейку SSR на DIN-рейке и для монтажа на панели с передовыми выходами на основе симисторов (SCR), встроенной защитой от перегрева и специально разработанными алюминиевыми радиаторами.

Заключение

Выбор между электромеханическим реле и твердотельным реле в условиях быстрого переключения определяется физикой износа. Для низкочастотных применений (например, аварийных отключений, выполняемых несколько раз в день) ЭМР являются высокоэффективным решением с точки зрения стоимости и обеспечивают превосходную физическую гальваническую развязку. Однако в высокочастотных цепях быстрого переключения (например, в системах ПИД-управления нагревом) механические контакты и электрическая дуга в ЭМР приводят к преждевременному выходу из строя в течение нескольких недель или месяцев. В таких условиях ТТР являются стандартным решением, обеспечивая неограниченное количество циклов переключения при условии наличия адекватного теплового управления. Инвестируйте сегодня в правильную технологию переключения с DAQCN. Свяжитесь с нашей инженерной службой поддержки, чтобы проанализировать рабочие циклы вашей системы и подобрать оптимальные компоненты ЭМР или ТТР для вашего проекта.