Аналіз циклу навантаження: вплив на термін служби електромагнітних реле (EMR) порівняно з твердотільними реле (SSR) у режимі швидкого перемикання

П: Який вплив циклів навантаження на термін служби ЕМР порівняно з ТТР у середовищах швидкого перемикання?

Відповідь:

У промисловій автоматизації та проектуванні шаф реле є фундаментальними компонентами, які використовуються для вмикання й вимикання електричних навантажень. Під час проектування систем із високочастотними операціями перемикання (наприклад, контурами ПІД-регулювання температури в пластмасових екструдерах або печах) інженери повинні вибрати між двома різними технологіями перемикання: електромагнітними реле (EMR) та твердотільними реле (SSR). Основною робочою змінною, що визначає успішність і термін служби цих реле, є коефіцієнт використання в поєднанні з частотою перемикання. Хоча обидва типи пристроїв виконують одну й ту саму базову функцію — керування потужними навантаженнями за допомогою слабких сигналів, — їх внутрішня будова повністю відрізняється. Ці фізичні відмінності означають, що високочастотні коефіцієнти використання впливають на термін експлуатації пристроїв дуже по-різному. У цьому B2B-порівняльному посібнику аналізуються фізичні процеси перемикання, механізми виходу з ладу EMR та SSR, а також надаються рекомендації щодо вибору відповідної технології для вашого застосування.

Розуміння основ: як працюють електромагнітні та твердотільні реле

Щоб зрозуміти, чому цикл роботи по-різному впливає на ці пристрої, необхідно розглянути їхню конструкцію:

• Електромагнітні реле (EMR): EMR — це механічний перемикач. Воно використовує котушку керування низькою напругою для створення магнітного поля. Це магнітне поле притягує рухомий якір, який фізично замикає або розмикає металеві електричні контакти. Коли живлення котушки вимикається, внутрішня пружина повертає якір у вихідне положення.
  
• Твердотільні реле (SSR): SSR не має рухомих частин. Воно використовує напівпровідникові силові перемикачі (наприклад, тиристори або тріаки) для керування навантаженням. Вхід керування електрично ізолюється від вихідного навантаження за допомогою інтегрованого оптоелектронного зв’язку. Коли до входу прикладається напруга, внутрішній світлодіод загоряється й активує напівпровідниковий перемикач, що дозволяє протікання струму.
  

Визначення циклу роботи та частоти перемикання

У промислових системах керування цикл роботи (duty cycle) визначає співвідношення часу активного стану «УВІМКНЕНО» до загального часу циклу. Наприклад, якщо нагрівальний елемент має працювати з потужністю 50 %, контролер може вмикати нагрівач на 5 секунд і вимикати його на 5 секунд (загальний час циклу — 10 секунд, що відповідає циклу роботи 50 %). Це означає, що реле перемикається «УВІМКНЕНО» та «ВИМКНЕНО» шість разів щохвилини.

Якщо система вимагає вищої точності, контролер може скоротити тривалість циклу до 2 секунд, умикаючи пристрій на 1 секунду й вимикаючи його на 1 секунду (цикл роботи залишається 50 %, але тепер частота перемикання зростає до 30 разів щохвилини). Саме таке швидке перемикання з високою частотою по-різному впливає на термін служби електромеханічних і напівпровідникових перемикачів.

Вплив швидкого перемикання на термін служби електромеханічних реле

Електромеханічні реле дуже чутливі до зносу при швидких частотах перемикання, незалежно від величини циклу роботи. Термін їхньої служби визначається двома основними факторами:

1. Механічне зношування та втома: Кожен цикл електромагнітного реле (EMR) передбачає фізичне переміщення. Повертаюча пружина зазнає механічного навантаження, а якір ударяється об металеву зупинку. Після мільйонів циклів повертаюча пружина втрачає натяг або ламається. Стандартне EMR розраховане приблизно на 10 мільйонів механічних операцій за відсутності навантаження.

2. Електрична дугова ерозія: Основним механізмом виходу з ладу контактів EMR під навантаженням є електрична дуга. Коли контакти розмикаються або замикаються, через вузький повітряний проміжок виникає невелика дуга. Ця дуга високої температури розплавляє незначну кількість матеріалу контактів. З часом це призводить до перенесення матеріалу, зростання опору контакту та, зрештою, до зварювання контактів. При швидкому перемиканні поверхня контактів не має достатньо часу для охолодження між циклами, що прискорює ерозію та мікро-зварювання. За стандартних електричних навантажень термін служби EMR зменшується з 10 мільйонів циклів до 100 000 або 500 000 операцій.
Якщо електромеханічне реле перемикається один раз кожні 10 секунд, воно накопичить приблизно 3,1 мільйона циклів за один рік безперервної роботи 24/7 у режимі експлуатації, що означає його ймовірну відмову протягом кількох місяців. Отже, електромеханічні реле є надзвичайно непридатними для середовищ з швидким та високочастотним перемиканням.

Вплив швидкого перемикання на термін служби твердотільних реле

Оскільки твердотільні реле не мають рухомих частин або механічних контактів, вони не піддаються механічному зносу чи електричній дузі. У умовах швидкого перемикання електричний термін служби твердотільного реле теоретично нескінченний. Однак термін служби твердотільних реле значно залежить від теплового навантаження та теплових циклів.

1. Температура переходу та генерація тепла: Коли напівпровідниковий вимикач перебуває в активному стані, між його клемами виникає невелика внутрішня напруга (зазвичай 1,0–1,6 В). Ця напруга, помножена на струм навантаження, призводить до значного внутрішнього виділення тепла (приблизно 1–1,5 Вт на ампер струму навантаження). Наприклад, при струмі навантаження 30 А твердотільне реле (SSR) генерує всередині малого напівпровідникового кристала 30–45 Вт тепла.

2. Теплове втомлення через теплові цикли: У середовищі швидкого перемикання внутрішній напівпровідниковий перехід нагрівається під час циклу «УВІМКНЕНО» та охолоджується під час циклу «ВИМКНЕНО». Такі швидкі й повторювані коливання температури викликають теплове циклічне навантаження. Після мільйонів таких швидких теплових циклів повторюване розширення та стискання можуть призвести до руйнування паяних з’єднань, відшарування напівпровідникового кристала від підкладки та виходу пристрою з ладу.

3. Теплове управління: Щоб досягти свого багаторічного терміну служби в умовах швидкого перемикання, твердотільні реле (SSR) повинні бути встановлені на алюмінієві радіатори відповідного розміру з нанесеним теплопровідним інтерфейсним матеріалом на задню пластину. Радіатор повинен ефективно розсіювати виділене тепло, щоб підтримувати температуру p-n-переходу напівпровідника значно нижче її максимального граничного значення.

Рішення DAQCN для перемикання

DAQCN — провідний виробник високоякісних промислових електромеханічних та твердотільних реле. Наші електромеханічні реле (EMR) оснащені важкими контактами зі срібла та оксиду олова, що забезпечує максимальну стійкість до електричної дуги в загальних низькочастотних застосуваннях. Для вимогливих середовищ з швидким перемиканням ми пропонуємо надійну лінійку твердотільних реле (SSR) у виконанні для монтажу на DIN-рейку та на панелі, які мають передові виходи на кремнієвих керованих вентилях (SCR), вбудовану захистну систему від перевищення температури та спеціально розроблені алюмінієві радіатори.

Висновок

Вибір між електромеханічним реле та твердотільним реле в умовах швидкого перемикання зумовлений фізичними процесами зношування. У низькочастотних застосуваннях (наприклад, системи аварійного вимкнення, що працюють кілька разів на добу) електромеханічні реле (EMR) є дуже економічним рішенням і забезпечують чудову фізичну ізоляцію. Однак у високочастотних циклах швидкого перемикання (наприклад, регулювання нагріву за ПІД-алгоритмом) механічні контакти та електрична дуга в EMR призводять до передчасного виходу з ладу протягом тижнів або місяців. У таких умовах твердотільні реле (SSR) є стандартним вибором, оскільки вони забезпечують необмежену кількість циклів перемикання за умови належного теплового управління. Інвестуйте сьогодні в правильну технологію перемикання разом із DAQCN. Зв’яжіться з нашою інженерною службою підтримки, щоб проаналізувати цикли навантаження вашої системи та обрати оптимальні компоненти EMR або SSR для вашого проекту.