Analiza cikla obremenitve: vpliv življenjske dobe na EMR nasproti SSR pri hitrem stikanjem

V: Kakšen je vpliv delovnih ciklov na življenjsko dobo EMR in SSR v okoljih z hitrim preklopljanjem?

Odgovor:

V industrijski avtomatizaciji in načrtovanju ohišij so releji osnovni sestavni deli, ki se uporabljajo za vklop in izklop električnih obremenitev. Pri načrtovanju sistemov z visokofrekvenčnimi preklopnimi operacijami (npr. PID zankah za nadzor temperature v plastičnih ekstruderjih ali pečicah) morajo inženirji izbrati med dvema različnima preklopnima tehnologijama: elektromagnetnimi releji (EMR) in trdostenskimi releji (SSR). Glavna obratovalna spremenljivka, ki določa uspešnost in življenjsko dobo teh relejev, je delovni cikel v kombinaciji s preklopno frekvenco. Čeprav obe napravi opravljata isto osnovno funkcijo – nadzor visokomocnih obremenitev z nizkomocnimi signali – sta njuni notranji strukturi popolnoma različni. Te fizične razlike pomenijo, da visokofrekvenčni delovni cikli vplivajo na njuno obratovalno življenjsko dobo na zelo različne načine. Ta B2B primerjalni vodnik analizira fiziko preklopa, mehanizme odpovedi EMR-jev in SSR-jev ter podaja priporočila za izbiro ustrezne tehnologije za vašo aplikacijo.

Razumevanje osnov: kako delujejo elektromagnetni in trdostenski releji

Da razumemo, zakaj cikli obremenitve različno vplivajo na te naprave, moramo pogledati njihovo konstrukcijo:

• Elektromagnetni releji (EMR): EMR je mehanski stikalnik. Uporablja krožno navitje za nadzor pri nizki napetosti, da ustvari magnetno polje. To magnetno polje privleče premični armaturni del, ki fizično zapre ali odpre kovinske električne kontakte. Ko se napetost na navitju izklopi, notranja vzmet vrne armaturni del v mirovno lego.
  
• Trdostenski releji (SSR): SSR nima gibljivih delov. Za nadzor obremenitve uporablja polprevodniške močnostne stikala (npr. tiristorje ali triake). Nadzorni vhod je električno izoliran od izhodne obremenitve z integriranim optoelektronskim sklopkom. Ko se na vhodu priključi napetost, notranja LED dioda sveti in s tem aktivira polprevodniško stikalo, kar omogoča pretok toka.
  

Opredelitev cikla obremenitve in frekvence stikanja

V industrijskih sistemih za nadzor predstavlja razmerje vklopljenega časa (duty cycle) razmerje med časom, ko je naprava vklopljena, in skupnim časom enega cikla. Na primer, če grelni element potrebuje 50-odstotno moč, lahko krmilnik grelec vklopi za 5 sekund in izklopi za 5 sekund (skupni čas cikla znaša 10 sekund, kar pomeni 50-odstotno razmerje vklopljenega časa). To pomeni, da relay se vklopi in izklopi šestkrat na minuto.

Če sistem zahteva višjo natančnost, lahko krmilnik skrajša čas cikla na 2 sekundi, pri čemer grelec vklopi za 1 sekundo in izklopi za 1 sekundo (razmerje vklopljenega časa ostane 50 odstotkov, vendar se frekvenci vklopa/izklopa zdaj poveča na 30-krat na minuto). Ta hitro frekvenčni hitri vklop/izklop različno pospešuje obrabo elektromehanskih in polprevodniških stikal.

Vpliv hitrega vklopa/izklopa na življenjsko dobo EMR-jev

Elektromehanska releja so zelo občutljiva na obrabo pri visokih frekvencah hitrega vklopa/izklopa, ne glede na odstotek razmerja vklopljenega časa. Življenjska doba temelji na dveh glavnih dejavnikih:

1. Mehansko obraba in utrujenost: Vsak cikel elektromagnetnega releja (EMR) vključuje fizično gibanje. Vračalna vzmet izkuša mehansko obremenitev, armatura pa udari v kovinski ustavnik. Po milijonih ciklov vračalna vzmet izgubi napetost ali se prelomi. Standardni EMR je zasnovan za približno 10 milijonov mehanskih operacij brez obremenitve.

2. Električna lokovna erozija: Glavni mehanizem odpovedi stikov EMR-ja pod obremenitvijo je električni lok. Ko se stiki odprejo ali zaprejo, se prek ozke zračne reže zazna majhen lok. Ta visokotemperaturni lok stopi majhen del materiala stikov. Z časom to povzroči prenos materiala, visoko prehodno upornost in končno zvarjanje stikov. Pri hitrem preklopu površina stikov med cikli nima dovolj časa za ohladitev, kar pospeši hitrost erozije in mikrovarjenja. Pri standardnih električnih obremenitvah se življenjska doba EMR-ja zmanjša z 10 milijonov na 100.000 ali 500.000 operacij.
Če se elektromehanski rele (EMR) preklopi enkrat na vsakih 10 sekund, bo v enem letu neprekinjenega delovanja (24/7) zbral približno 3,1 milijona ciklov, kar pomeni, da bo verjetno odpovedal že v nekaj mesecih. zato so elektromehanski releji (EMR) zelo neprimerni za okolja s hitrim in visokofrekvenčnim preklopom.

Vpliv hitrega preklopa na življenjsko dobo trdnostnih relejev (SSR)

Ker trdnostni releji (SSR) nimajo gibljivih delov ali mehanskih stikov, ne trpijo mehanske obrabe niti električnega lokanja. V okoljih z hitrim preklopom je električna življenjska doba SSR teoretično neskončna. Vendar pa življenjsko dobo SSR močno vplivata toplotna obremenitev in toplotni cikli.

1. Temperatura spoja in nastajanje toplote: Ko je polprevodniški stikalo v delovnem načinu, se na njegovih priključkih pojavi majhen notranji napetostni padec (običajno 1,0 do 1,6 V). Ta napetostni padec, pomnožen z obremenitvenim tokom, povzroči znatno notranjo toploto (približno 1 do 1,5 W na amper obremenitvenega toka). Na primer obremenitev 30 A na trdnem stanju releju (SSR) povzroči notranje nastajanje toplote 30 do 45 W na majhnem polprevodniškem čipu.

2. Toplotna utrujenost zaradi toplotnih ciklov: V okolju hitrega preklopa se notranji polprevodniški spoj segreva med vklopnim ciklom in ohlaja med izklopnim ciklom. Ta hitra, ponavljajoča se nihanja temperature povzročajo napetost zaradi toplotnih ciklov. Po milijonih hitrih toplotnih ciklov lahko ponavljajoče se raztezanje in krčenje povzroči razpoke v lotkovnih spojih, ločitev polprevodniškega čipa od podlage ter odpoved naprave.

3. Termično upravljanje: Za doseganje večletnega življenjskega cikla v okoljih z hitrim stikanjem morajo biti trdostenski releji (SSR) nameščeni na ustrezno velikih aluminijastih toplotnih izmenjevalcih z uporabo toplotnega medija na zadnji plošči. Toplotni izmenjevalec mora učinkovito odvajati nastalo toploto, da ohrani temperaturo polprevodniškega spoja znatno pod njegovo najvišjo dovoljeno mejo.

DAQCN Rešitve za stikanje

DAQCN je vodilni proizvajalec visokokakovostnih industrijskih elektromehanskih in trdostenskih relejev. Naši elektromehanski releji (EMR) so zasnovani z odpornimi kontakti iz srebra in oksida cinka za maksimalno odpornost proti lokom pri splošnih nizkofrekvenčnih aplikacijah. Za zahtevna okolja z hitrim stikanjem ponujamo robustno serijo trdostenskih relejev (SSR) za montažo na DIN-sko roletko in ploščo, ki so opremljeni z naprednimi tiristorji (SCR), integrirano zaščito pred prekomerno temperaturo ter posebno zasnovanimi aluminijastimi toplotnimi izmenjevalci.

Zaključek

Izbira med elektromehanskim relejem in trdotelesnim relejem v okoljih hitrega preklopa temelji na fizikalnih zakonitostih obrabe. Za nizko frekvenco (npr. varnostne izklope, ki se izvedejo le nekajkrat na dan), so EMR-ji zelo cenovno učinkoviti in zagotavljajo odlično fizično izolacijo. Vendar pa pri visokofrekvenčnih zankah hitrega preklopa (npr. PID-regulacija ogrevanja) mehanski stiki in lokovanje pri EMR-jih povzročita predčasno odpoved že v teku tednov ali mesecev. V takšnih okoljih so SSR-ji standardna izbira, saj omogočajo neskončno število preklopov, če so opremljeni z ustrezno toplotno upravljanjem. Danes naložite v pravo tehnologijo preklopa s podjetjem DAQCN. Za analizo ciklov obremenitve vašega sistema in izbiro najprimernejših komponent EMR ali SSR za vaš projekt se obrnite na našo tehnično podporo.