Архив / 2007 / №1(29) / Автоматизация технологических процессов

Надежность автоматики: проблемы и решения (часть 1)

Надежность электронных и электротехнических устройств во многом определяется надёжностью применяемых коммутирующих элементов. О надёжности самих коммутирующих элементов пойдёт речь в этой статье.

Как известно, значительная часть неисправностей в электрон ных устройствах связана либо с отсутствием электрического кон такта, либо с наличием там, где быть его не должно. Среди разных видов электрических коммутаторов почётное место занимают электромагнитные реле. В электротехнике и электронике они используются для коммутации цепей прохождения сигналов, а в простейшей автоматике служат для организации логики управле ния и включения исполнительных устройств.

История развития

Первые компьютеры изготавливались релейными. В 1931 году американская корпорация IBM первой в мире выпустила релейную вычислительную машину модели IBM 601. За период до 1935 г. их было продано более 1500. Несмотря на большие габариты устройства (см. www.columbia.edu/acis/history/601.html), представители бизнеса, инженеры и учёные были очень доволь ны его работой. Просто альтернативы реле в то время не было. Найдутся ли сегодня желающие постоянно пользоваться релей ным вычислителем?

Рис. 1. Условное изображение замкнутых контактов реле (увеличено)
Рис. 1. Условное изображение замкнутых контактов реле (увеличено)
Рис. 2. Вид контактов электромагнитного реле, проработавшего некоторое время
Рис. 2. Вид контактов электромагнитного реле, проработавшего некоторое время
Рис. 3. Схема электронного коммутатора для цепи переменного тока
Рис. 3. Схема электронного коммутатора для цепи переменного тока
Рис. 4. Схема силового коммутатора на симисторе
Рис. 4. Схема силового коммутатора на симисторе
Рис. 5. Схема коммутатора на симисторе КУ208Г
Рис. 5. Схема коммутатора на симисторе КУ208Г

Первые электромагнитные реле (от английского relay – смена, передача) появились в телеграфных аппаратах, затем их стали использовать в телефонии, где они до недавнего времени состав ляли основу элементной базы АТС. Реле совершенствовались и вскоре стали неотъемлемой частью большинства электронных и электротехнических устройств.

До изобретения активных полупроводниковых компонентов на электромагнитных реле выполнялась вся промышленная автома тика. Начиная с 60 годов электромагнитные реле начали посте пенно вытесняться электронными коммутаторами.

Широкому распространению электромагнитных реле в автома тике способствовало наличие у них ряда полезных свойств, основные из которых – хорошая электроизоляция между комму тируемыми цепями (количество которых может превышать деся ток) и малое контактное сопротивление. К недостаткам, ограни чивающим область применения реле, а в некоторых случаях сводящим к нулю все достоинства, относятся износ подвижных частей и самих контактов (окисление, залипание или сварива ние), а также дребезг соединения при переключении (он создаёт помехи и тоже ускоряет износ). Попробуем разобраться в причи нах этих недостатков.

О контактах электромагнитных реле

Любая поверхность характеризуется наличием неровностей, препятствующих полному её контакту с другой поверхностью. Вследствие этого электрическое соединение при замыкании контактов реле образуется на небольших площадках, как это показано на рис. 1. В результате получается неравномерное расп ределение тока по поверхностям. Плотность тока в местах кон тактирования может достигать больших значений, что приводит к нагреву и коррозии материала контактов (рис. 2).

Немало проблем создаёт и электрический разряд, возникаю щий при механической коммутации цепей. При разряде материал контактов испаряется и разбрызгивается, а поверхности окисля ются. Следует отметить, что при коммутации реактивной нагрузки контакты разрушаются быстрее из за большей энергии разряда.

Наиболее наглядно перечисленные недостатки проявляются при больших коммутируемых токах – увеличение тока увеличива ет износ контактов. При токовой перегрузке они могут просто привариться друг к другу – именно по этой причине по правилам техники безопасности требуется неисправную аппаратуру отклю чать от сети отсоединением питающего кабеля (даже у обычного механического выключателя контакты могут привариться и не разомкнуть цепь).

Не вникая глубоко в теорию коммутационных процессов, обра тимся к практике. Ненадёжность большинства типов реле может подтвердить любой электрик, имеющий опыт обслуживания про мышленного оборудования. В качестве примера вспоминается случай из жизни, свидетелем которого автору довелось стать на одном небольшом предприятии. В цеху работала бригада электри ков, состоявшая из трёх человек. Скучно им никогда не было из за этих самых электромагнитных реле. Дело в том, что на производ ственном оборудовании использовалось много электронагревате лей для превращения гранул сырья в текучую пластическую массу. По технологии экструдер пресса во всех зонах прогревался до оп ределённых температур – везде разных. Для поддержания нужной температуры в зонах были установлены датчики на основе термо пар и терморегуляторы с релейным выходом, которые автомати чески коммутировали нагреватели при помощи мощных промежу точных реле. Их контакты периодически приходилось зачищать (занятие хлопотное, да и помогает не надолго), а оборудование при этом простаивало. К тому же неисправные цепи надо было ещё найти, что тоже требовало дополнительного времени.

Когда электрикам окончательно надоело выполнять эту мало эффективную работу, в перерывах между ремонтами они начали самостоятельно, из подручных материалов, собирать электронные коммутаторы для замены электромагнитных реле. Выглядит такое устройство очень просто: на диэлектрическом основании закреп ляются на радиаторах два тиристора и один резистор (рис. 3).

Коммутатор выполнен на двух встречно включенных тиристо рах, но на каждой полуволне сетевого напряжения будет работать только один – соответствующий. При замыкании управляющих контактов К1.1 в нагрузку будет поступать почти неискаженный синус, ведь тиристоры открываются практически в самом начале полуволны напряжения.

Для управления включением нагрузки используется особен ность внутренней структуры тиристоров, обеспечивающая проте кание управляющего тока при замкнутых контактах промежуточ ного реле (К1). Резистор R1 ограничивает этот ток и имеет номинал 360...560 Ом (мощность не менее 2 Вт). Контакты К1.1 в цепи управления тиристоров могут быть низковольтными и сла боточными (150…250 мА), что практически обеспечивает любое миниатюрное реле из используемых в стандартных электронных блоках управления. Тиристоры выбираются в зависимости от нужного тока в нагрузке.

О других вариантах замены силового реле

Для коммутации цепей переменного тока лучше подходят симисторы, которых требуется в два раза меньше, чем тиристо ров. Многими из них также можно управлять при помощи контак тов маломощного реле, например, как это показано на рис. 4.

Довольно простой получается схема управления для коммута ции небольшой мощности (100…150 Вт) с использованием симистора КУ208Г (Г1) (рис. 5).

Этот симистор, однако, не рекомендуется применять в промыш ленной автоматике из-за низкого рабочего напряжения (всего 400 В).

Силовые тиристоры и симисторы выбираются так, чтобы номи нальный рабочий ток для них был всегда больше, чем проходит в цепи нагрузки, а класс рабочего напряжения (последняя цифра в обозначении промышленных коммутаторов) по возможности выше. Это обеспечит надёжную работу коммутатора даже в усло виях высоковольтных импульсных помех. Импульсные помехи не редкость при включении и выключении мощных электромоторов и других потребителей энергии на производстве.

Показанные на схемах пунктиром RC цепи из последовательно включенных резистора и конденсатора рекомендуется применять для защиты электронных ключей от высоковольтных выбросов напряжения в сети в момент коммутации индуктивной нагрузки. Конденсатор для этих целей лучше использовать типа К42У 2 или К73-11 с номиналом 0,01…0,1 мкФ и рабочим напряжением не менее 630 В. Вместо этих цепей можно также использовать варисторы на рабочее напряжение 630 В.

Тиристоры и симисторы исключают возникновение разряда при переключении и отличаются высокой надёжностью, так как вы держивают значительные кратковременные перегрузки по току.

Общим недостатком приведённых выше схем (как и у электро магнитного силового реле) является появление в сети импульс ных помех при коммутации нагрузки. Это объясняется тем, что момент замыкания силовой цепи не синхронизирован с перехо дом сетевого напряжения через нуль. Чтобы избавиться от ком мутационных помех придётся полностью отказаться от релейных контактов и во вспомогательных цепях управления, о чём и пойдёт речь в следующем номере журнала.

Игорь Шелестов
инженер компании ОВЕН