Твердотельные реле - примеры использования и подключения

Для коммутации нагрузок в различном оборудовании обычно используются контакторы и реле. Всем известны основные минусы этих устройств – подгорание контактов и наличие подвижных частей. От этих недостатков полностью свободны Твердотельные реле (ТТР), которые всё шире и шире используются в промышленном оборудовании.

В статье рассмотрим подключение и электрическую защиту твердотельных реле, а также различные примеры применения.

Варианты использования

ТТР имеет смысл ставить там, где нет возможности контролировать работоспособность обычных электромеханических реле. Да, ТТР дороже, но основное их преимущество – «поставил и забыл». Часто их ставят для коммутации индуктивной нагрузки (электромагниты), для которой обычные реле подходят слабо – контакты подгорают быстро, нужно их чистить или менять. Либо ставить реле на заведомо больший ток работы.

Другой вариант использования ТТР – включение мощной нагрузки типа ТЭНов, когда мощные контакторы прослужат недолгое время из-за частых включений-выключений. Такое бывает в случае, когда нужно точное поддержание температуры, а для этого устанавливают небольшую ширину петли гистерезиса.

Как и в случае с контакторами и реле, ТТР легче работать, когда нагрузка чисто активная (АС1), то есть не содержит индуктивности (cosφ стремится к 1). Тогда он легко может коммутировать ток, указанный на его корпусе. В большинстве же случаев нагрузка является частично реактивной (cosφ = 0,7-0,8), поэтому ток ТТР нужно всегда выбирать с запасом.

Запас по току нужен также и для надежной работы системы защиты, но об этом расскажем чуть позже.

Коммутация ТЭНа нагревателя

В этом примере, как мы уже отмечали выше, ТТР работает в самом простом режиме – коммутация напряжения питания 220 В для ТЭНа. Реле рассчитано на ток 40 А, для однофазного напряжения 220 В это означаем максимальную мощность 8,8 кВт.

Однако, в целях повышения надежности в данном случае никто не будет подключать через ТТР ТЭНы мощностью 8 кВт. Обычно, даже в этом случае выбирают запас 50 %, не менее. В данном примере применяется ТЭН на 1,5 кВт. Защита обеспечивается автоматическим выключателем с номинальным током 10 А.

Управление твердотельными реле

Фактически ТТР – это управляемый коммутатор. В каком-то смысле, обычный транзистор является твердотельным реле – при подаче управляющего сигнала он открывается, и пропускает ток в нагрузку.

В ТТР в более чем 90% случаев в качестве управляющего сигнала нужно постоянное напряжение. Диапазон напряжений – от 3 до 35 В, и может быть разным для разных моделей и производителей..

В редких случаях (в зависимости от модели) в качестве управляющего сигнала применяют переменное напряжение (порядка 100…250 В), токовый сигнал 4…20 мА, либо для управления используют обычный потенциометр.

Схема подключения проста, и обычно приводится на корпусе ТТР:

Приведенная схема включения твердотельного реле является наиболее распространенной. На управляющий вход ТТР подается постоянное напряжение порядка 12…24 В. Подача напряжения производится от внешнего источника питания через любой подходящий коммутирующий элемент – кнопка, переключатель, транзистор, реле. На работу ТТР не оказывает влияния схема включения и принцип действия схемы на его входе. Важен лишь сам факт подачи напряжения нужного значения и полярности.

В ТТР с управляющим сигналом в виде переменного напряжения принцип работы аналогичный.

В большинстве моделей ТТР реализована светодиодная индикация подачи управляющего сигнала, что позволяет «на лету» отслеживать и анализировать работу ТТР.

Силовая часть ТТР

Эта важная часть ТТР коммутирует ток нагрузки.

Входная и выходная части твердотельного реле гальванически развязаны при помощи оптопары. Твердотельное реле не имеет отдельного источника питания. И если входная часть ТТР питается от входного источника питания, то выходная часть питается через нагрузку, получая питание при условии, что эта нагрузка подключена.

Таким образом, если нагрузка имеет высокое сопротивление, с одной стороны, это хорошо – меньше ток через реле, и оно меньше испытывает перегрузки, работая с большим запасом. Но если этот ток продолжить уменьшать, ТТР просто не сможет работать – хотя, входная индикация будет показывать, что всё нормально.

Коммутация индуктивной нагрузки

С индуктивной нагрузкой (как правило, это электромагнит), не так всё просто.

В этом случае нужно учитывать переходные процессы в моменты включения и выключения ТТР. В эти моменты возможны всплески напряжения, которые могут привести к неприятным последствиям, например – «зависание» ТТР в открытом или закрытом состоянии, которое снимается перезапуском питания. Самый неприятный вариант – ТТР может полностью выйти из строя, при этом оно может остаться в опасном включенном состоянии.

Существуют особенности при подключении индуктивной нагрузки типа электромагнитов. Производители рекомендуют выбирать пару ТТР-электромагнит таким образом, чтобы ток нагрузки был не более чем 10% от максимально допустимого тока ТТР. Это обусловлено возможной нестабильностью работы. Кроме того, при коммутации постоянного тока рекомендуется параллельно нагрузке подключать обратно включенный диод.

Защита

Большинство производителейрекомендуют в качестве защиты устанавливать быстродействующие предохранители. Это нужно для того, чтобы в случае перегрузки или короткого замыкания нагрузки не произошло поломки ТТР.

Однако, поскольку стоимость таких предохранителей сопоставима со стоимостью самого ТТР, существует вариант установки вместо предохранителей защитных автоматов. Причем, производители рекомендуют только защитные автоматы с время-токовой характеристикой типа «В».

Чтобы пояснить принцип защиты, рассмотрим известные графики время-токовых характеристик автоматических выключателей:

Из графика видно, что при превышении тока защитного автомата с характеристикой «В» более чем в 5 раз время его выключения – около 10 мс (пол периода напряжения частотой 50 Гц).

Из этого можно сделать вывод, что для того, чтобы иметь большие шансы по сохранению работоспособности ТТР в случае КЗ, нужно применять защитные автоматы с характеристикой «В». При этом нужно соответственно рассчитывать токи нагрузки и защитного автомата в зависимости от максимального тока твердотельного реле.

Пример неправильной защиты ТТР

Случаются грубые ошибки в проектировании систем на ТТР. Пример – электронагреватель приточной вентиляции мощностью 18,5 кВт, питаемый через трехфазное твердотельное реле с рабочим током 25 А. Основная проблема в том, что защищается это ТТР через автоматический выключатель с номинальным током 25 А и время-токовой характеристикой С.

Даже в случае частичного превышения рабочего тока (например, до 35 А) в первую очередь выгорит ТТР, при этом время отключения защитного автомата – около 1 часа.