Przemysłowe przekaźniki elektromechaniczne Finder – rodzaje, zastosowanie, praktyczne informacje

Tekst sponsorowany. Artykuł powstał we współpracy z naszym partnerem handlowym – firmą Finder

Przekaźniki elektromechaniczne spotykamy w niemal każdej szafie sterowniczej. Na przestrzeni kilkudziesięciu lat przekaźniki zmieniły się znacząco, lecz ich funkcją pozostaje udział w procesie przełączania.

Opierając się na wyrobach i rozwiązaniach firmy Finder, znanego włoskiego producenta przekaźników, pokrótce przedstawimy podstawową wiedzę, przydatną do poznania zagadnień aparatury łączeniowej w automatyce. Dobór odpowiedniego elementu wykonawczego jest jednym z kluczowych zagadnień dla stworzenia sprawnego i niezawodnego układu. Informacje zawarte poniżej zwięźle przedstawiają metody doboru przekaźników. Wskazujemy również zagrożenia, jakie mogą powstać podczas używania przekaźników.

Rodzaje przekaźników

Przekaźniki elektromagnetyczne EMR

Przekaźniki elektromagnetyczne składają z elementów mechanicznych, za pomocą których odbywa się zmiana stanu pracy.

Schemat budowy przekaźnika elektromagnetycznego EMR

Przekaźnik EMR zawiera następujące elementy konstrukcyjne:

Przekaźniki elektromagnetyczne monostabilne

Przekaźniki elektromagnetyczne monostabilne wyróżniają się tym, że po podaniu  określonego napięcia na cewkę przekaźnika, styki zmieniają swój stan. Zależnie od konfiguracji przekaźnika, następuje wtedy załączenie lub wyłączenie.
Biorąc pod uwagę kryterium budowy oraz parametry łączeniowe, przekaźniki monostabilne dzielimy na:

Przekaźniki elektromagnetyczne bistabilne

W tym typie przekaźników, po podaniu sygnału sterującego przekaźnik zmienia stan swojej pracy. Po wyłączeniu sygnału nadal pozostaje w danej pozycji. Do zmiany stanu przekaźnika wymagane jest kolejne podanie odpowiedniego sygnału wzbudzenia/wartości zasilającej.

Rodzaje przekaźników bistabilnych prezentują się następująco:

Wśród cech przekaźników EMR dominują zalety, dzięki którym stały się one tak popularne. Do nich zalicza się:

Oczywiście przekaźniki EMR nie są też pozbawione wad. Podstawowe z nich to:

Przekaźniki półprzewodnikowe SSR

W przekaźnikach półprzewodnikowych SSR zmiany stanu wyjścia dokonuje się przez złącze półprzewodnikowe. Przekaźniki SSR posiadają dwa obwody: sterowania i mocy. Zmiana stanu wyjścia następuje po podaniu właściwej wartości zasilającej (najczęściej napięcia) na wejście sterujące. SSR-y nazywamy przekaźnikami, ze względu na to, że w torze/złączu występuje tylko jedna przerwa zestykowa.

Ze względu na rodzaj napięcia (DC lub AC), wyróżniamy dwa podstawowe typy obwodu wyjściowego stosowane w przekaźnikach półprzewodnikowych:

Ze względu na sinusoidalny przebieg napięcia wyróżniamy:

Możemy wskazać następujące plusy zastosowania przekaźników półprzewodnikowych:

Wady przekaźników półprzewodnikowych:

Zestyki – konfiguracja, dobór i zastosowanie

Najczęściej spotykanymi rodzajami przekaźników są 1,2,3- oraz 4-polowe, które posiadają zestyki przełączne. Uniwersalność stosowania oraz prosta obsługa pozwala projektantowi na wybór pomiędzy stykami NC lub NO.

Dla niezawodności funkcjonowania układu sterowania i regulacji jest kluczową kwestią jest trwałość zestyku. Przed objaśnieniem pojęć trwałości elektrycznej oraz łączeniowej przekaźników, skupmy się na poniższej tabeli, opisującej cechy materiałów, pokrywających styki przekaźników. Bardzo często trwałość przekaźnika zależy od odpowiedniego doboru materiału zestyku.

AgNi jest materiałem, który najlepiej się sprawdza w układach sterowania i regulacji. Dzięki takim cechom jak: niskie napięcie minimalne, niski prąd i moc, możliwość łączenia niewielkich obciążeń rezystancyjnych i pojemnościowych jest materiałem uniwersalnym. Jednak użycie go wiąże się z pewnymi ograniczeniami, jak mniejszą odporność na silne obciążenia indukcyjne i pojemnościowe.

Materiałem zyskującym coraz większą popularność jest AgSn02. Pomimo faktu, że nie jest on tak dobry przy przesyłaniu sygnału, to jego niepodważalną zaletą jest duża odporność na sklejanie i zwiększona odporność na obciążenia indukcyjne oraz pojemnościowe.

Złocenie zestyków należy wykonywać, gdy chcemy przesłać bardzo małe wartości napięcia, prądu i mocy. Ważną cechą zestyków złoconych jest brak pasywacji styku – sprawdza się idealnie w zadaniach, w których przekaźnik jest używany sporadycznie i służy głównie jako obwód rezerwowy.

Żywotność przekaźników

Elementy elektromechaniczne mają ograniczenia wynikłe z trwałości, ponieważ jak każde urządzenie posiadające części mechaniczne podlegają one naturalnemu zużyciu. W przypadku, gdy przekaźniki pracują z parametrami znamionowymi, ich żywotność ograniczają dwa główne czynniki.

Pierwszym jest trwałość elektryczna. Jest to ilość cykli, jaką przekaźnik jest w stanie wykonać przy maksymalnym znamionowym obciążeniu albo przy innym katalogowym rodzaju balastu.
Przykład:
Przekaźnik 40.61.9.024.0000 (widoczny na zdjęciu poniżej) lub komplet z gniazdem 48.P1.9.024.0000 posiada napięcie znamionowe cewki 24V DC, jego wartości katalogowe obciążenia to 16A 250V AC1. W karcie produktu podane jest, że trwałość elektryczna wynosi 100 000 cykli. Zgodnie z katalogiem Findera oznacza to, że możemy obciążyć styk zwierny 16A 250V AC1 (obciążenie rezystancyjne) i producent deklaruje, że produkt wytrzyma taką ilość operacji niezależnie od temperatury otoczenia, jeśli znajduje się ona w parametrach katalogowych.
Z danych możemy odczytać również, że obciążalność przekaźnika (zdolność rozłączenia) wynosi 16A 24V DC1 (obciążenie rezystancyjne) i 0,25A 220V DC1 – oznacza to, że jest to maksymalne graniczne obciążenie dla podanych napięć, które pozwala uzyskać podaną trwałość łączeniową.

Uwaga: Nie wszyscy producenci podają trwałość łączeniową przy maksymalnej temperaturze pracy! Czasem trwałość łączeniowa jest podawana dla wartości Tamb = 23°C, natomiast dla wyższych temperatur zmieniają dopuszczalną ilość cykli lub podają trwałość łączeniową przy badaniu, w którym czas załączenia wynosi tylko 10% ogólnego czasu cyklu – pozwala to zdecydowanie poprawić „papierowe” osiągi.

Drugim czynnikiem wpływającym na okres funkcjonowania przekaźników jest trwałość mechaniczna. Jest to deklarowana ilość cykli, jaką produkt jest w stanie wykonać bez obciążenia na stykach (w praktyce z obciążeniem czysto sygnałowym – przyjmuje się, że zużycie wynikające z przepływu prądu przez styki jest bardzo ograniczone). Trwałość mechaniczna zwykle zawiera się w przedziale od 1 000 000 aż do 10 000 000 cykli. Zależy ona od producenta i od typu produktu.

Zależność między trwałością elektryczną i mechaniczną, inne parametry korelacyjne

W praktyce projektowania układów sterujących często stosuje się przewymiarowanie. Jak jednak obliczyć czy przewymiarowanie nie jest za duże i właśnie nie zapewniliśmy naszej maszynie 10 tys. lat bezawaryjnej pracy, albo czy kalkulacja była niewłaściwa i element zużyje się wcześniej niż minie okres gwarancji lub cykl serwisowy?

Takie zagadnienie ma dwa rozwiązania. Po pierwsze możemy dokonać testów łączeniowych na odpowiedniej grupie elementów (jeśli obciążenie nie jest skatalogowane). Po drugie – możemy sięgnąć do wykresów i parametrów korekcyjnych.

Zależność między trwałością łączeniową i mechaniczną na przykładzie przekaźnika Finder serii 40

Jak wspomniano wcześniej, przekaźnik przy obciążeniu prądem 16A powinien wytrzymać 100 000 cykli. A jeśli przez styki przepłynie prąd o wartości 8A 250V AC1? Wtedy zgodnie z wykresem trwałość łączeniowa przekaźnika wzrośnie do 250 000 cykli.
Z wykresu można odczytać również parametr korekcyjny dla Cos ϕ = 0,4.  Obciążenia indukcyjne (jak wspomnieliśmy wcześniej) powodują większe zużycie styków, spowodowane powstawaniem łuku w momencie rozłączania. W takim wypadku, aby osiągnąć deklarowane 100 000 cykli, prąd na stykach musi być zmniejszony do 4A. Analogicznie – jeśli zależy nam na trwałości 300 000 cykli, to obciążenie musi zmaleć do 2A.
Podane parametry dotyczą napięcia 250V AC. W przypadku pracy z innymi napięciami można zgłosić się do firmy Finder po precyzyjne dane dla danego obciążenia. Można samodzielnie przeprowadzić testy a także użyć gotowych współczynników korekcyjnych – podstawowe zostaną opisane poniżej:

1. Napięcie odniesienia dla powyższych wykresów trwałości łączeniowej wynosi Un = 250 V AC. Można jednak bezpiecznie założyć, że wskazane parametry trwałości będą funkcjonowały również dla napięć z zakresu 125 V AC – 277 V AC.
2. W przypadku napięć niższych od 125 V, wraz ze spadkiem napięcia trwałość elektryczna znacząco wzrasta. Można to oszacować w przybliżeniu, stosując współczynnik 250/2Un i mnożąc go przez oczekiwaną trwałość łączeniową właściwą dla napięcia obciążenia 250 V.
3. Dla napięć obciążenia większych niż 250 V (ale mniejszych niż maksymalne napięcie łączeniowe określone dla przekaźnika), maksymalny prąd zestyków powinien być ograniczony do obciążenia znamionowego AC1 podzielonego przez rozważane napięcie. Przykład: przekaźnik z prądem znamionowym AC1 16 A i maksymalną mocą łączeniową 4000 VA może przełączać prąd maksymalny 10 A przy napięciu 400 V AC: odpowiednia żywotność elektryczna będzie w przybliżeniu taka sama jak przy 16 A/250 V AC.

Materiały stykowe i konfiguracja zestyków – informacje praktyczne.

Przy projektowaniu układów sterowania wykorzystujących przekaźniki elektromechaniczne, warto poświęcić więcej uwagi i czasu na właściwy dobór elementów łączeniowych. Dołożenie staranności przy doborze komponentów pozwoli im na długi okres bezawaryjnej pracy. Dzięki niej zmniejszymy też koszty wdrożenia i eksploatacji.

Podsumowanie

Niemożliwe jest wyczerpanie zagadnień przekaźników elektromechanicznych w jednym artykule. Naszą intencją jest przede wszystkim, aby zwrócić projektantowi, operatorowi lub automatykowi szczególną uwagę na odpowiedni dobór przekaźników. Niestety praktycznie każda aplikacja będzie wymagała osobnego doboru przekaźników.

Specjaliści firmy Finder zapraszają projektantów do konsultacji i szkoleń z omawianych zagadnień. Dzielenie się i doświadczeniem jest jednym z celów statutowych Finder Polska.

Zapraszamy do kontaktu zarówno pracowników firm produkcyjnych i przemysłowych, jak i nauczycieli oraz uczniów szkół i wyższych uczelni technicznych.