Когда наступит конец эры электромеханических реле? - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Производство и ресурсы

6648
Когда наступит конец эры электромеханических реле?

С появлением на рынке и развитием оптоэлектронных приборов, в частности твердотельных реле, в печати стала появляться информация, что дни обычных электромеханических реле сочтены, что их удельный вес в общем объеме выпускаемых радиоэлектронных компонентов сойдет на нет и вскорости они совершенно исчезнут, как исчезли в свое время такие приборы, как урдокс и вибропреобразователь, о существовании и назначении коих сейчас мало кто помнит.

Предвосхищая события, можно с уверенностью заявить: да, исчезновение электромагнитным реле (ЭМ) грозит, но только в том случае, если твердотельные реле (ТТ) будут способны полностью функционально заменить ЭМ. Если способны, то возникает вопрос, отчего же эра заката ЭМ реле еще не наступила, а если не способны, то почему?

Прежде чем на него ответить, нужно разобраться, в чем функциональное сходство, а в чем различие тех и других.

 

Особенности электромагнитных реле

Электромагнитное нейтральное реле – это самый старый по происхождению, самый простой и самый распространенный тип реле. Магнитная система обычных низковольтных ЭМ реле включает в себя, прежде всего, обмотку управления, выполненную в виде катушки с изолированным проводом, магнитопровод, ярмо и подвижный якорь. Она служит для преобразования электрического тока входного сигнала в механическое перемещение якоря, необходимое для переключения контактов.

С энергией механического перемещения якоря связана крайне важная техническая характеристика любого ЭМ реле. Речь идет о коэффициенте возврата, который равен отношению напряжения (тока) притяжения якоря к напряжению (току) его отпускания. Совершенно естественно, что величины напряжения (тока) притяжения якоря и напряжения (тока) отпускания якоря реле не могут быть равными, так как энергия, затрачиваемая на механическое перемещение якоря, всегда больше энергии его удержания, и зависит она напрямую от конструкции и массы магнитопровода, якоря, зазора между ними в обесточенном состоянии и еще некоторых второстепенных факторов.

Контактная система, как указывалось выше, преобразовывает сообщенную ей механическую энергию в коммутацию цепей электрических сигналов.

Контактная пара реле обладает уникальными электрическими характеристиками, не воспроизводимыми в полном объеме ни одним элементом твердотельной электроники. Основные из них – возможность коммутации цепей, работающих как на переменном, так и на постоянном токе, крайне малое переходное сопротивление замкнутых контактов (десятые и сотые доли Ом), высокое электрическое сопротивление изоляции между управляющими и исполнительными цепями. Необходимо уточнить, что переходное сопротивление замкнутых контактов – величина отчасти нестабильная и зависит от многих факторов, которые будут рассмотрены ниже.

ЭМ реле практически не искажает сетевую синусоиду, ему не требуются радиаторы, так как, с одной стороны, магнитопровод в некотором смысле сам является радиатором для обмотки, а с другой стороны, при правильной эксплуатации и правильно рассчитанной схеме температурный режим обмоток и контактов реле не нарушается. Визуально можно проконтролировать размыкание (или неразмыкание) контактов, а иногда это очень важно.

Единственным отрицательным моментом в работе ЭМ реле является электрическая эрозия, которая разрушает соприкасающиеся поверхности контактов, но проявляется она лишь только при размыкании цепей со значительной индуктивной нагрузкой или при коротком замыкании в цепи контактов.

Эрозия основана на явлении разрушения контактов при электрическом разряде между ними и сопровождается переносом материала с одного контакта на другой. В этом явлении наименее исследован механизм выброса металла.

Направление переноса зависит от полярности напряжения на контактах. Если контакты коммутируют переменное напряжение, то изнашиваются, как правило, оба контакта одинаково. В результате многочисленных разрядов на них появляются углубления, при этом площадь соприкосновения уменьшается, а скорость износа увеличивается. При возникновении электрической дуги образуется озон – газ, который является активным окислителем. При этом на контактах появляется оксидная пленка, возрастает переходное сопротивление – и процесс становится лавинообразным.

Учитывая, что величина эрозионного разрушения уменьшается с ростом температуры плавления металла, то при использовании в качестве материала для изготовления контактов тугоплавких металлов, например вольфрама и его сплавов, их эрозия, при прочих равных условиях, понижается, и контакты оказываются более долговечными.

Выше указывалось, что причиной эрозии является дуга, возникающая при разрыве контактов, которая является проводящим каналом, возникающим в воздухе. Для того чтобы предотвратить эрозию и погасить дугу, используют схемы дугогашения. При невозможности их применения контакты помещают в среду инертных газов, вакуум, масло или воздействуют на дугу, которая является проводником, постоянным магнитным полем (магнитное дутье).

Еще одно неприятное явление, влияющее на надежность и безотказность устройств, содержащих ЭМ реле, является сваривание контактов. Например, в ответственных цепях, связанных с безопасностью движения поездов в устройствах железнодорожной автоматики, такое явление недопустимо. Совершенно недопустимо и мостовое сваривание, когда свариваются общий, фронтовой и тыловой контакты. Чтобы этого избежать, общие и тыловые контакты для реле ответственных цепей (реле 1-го класса надежности) изготавливают из серебряного сплава, а фронтовые контакты – из графито-серебряного композита, увеличивают зазор между контактами, находящимися в крайних положениях, устанавливают на якоре антимагнитный штифт и т.д.

Но все же, несмотря на малую надежность механических контактов, электромагнитные реле остаются основным элементом коммутации в аппаратуре связи, устройствах автоматики и полностью оправдывают себя при редком переключении.

 

Особенности твердотельных реле

В последнее время все более широкое распространение получает новый тип коммутатора – твердотельное реле. За рубежом разработано несколько десятков разновидностей таких приборов, рассчитанных на широкое применение, начиная от аналоговых мультиплексоров и телекоммуникационной аппаратуры и заканчивая коммутаторами на ток в десятки ампер. Потенциальную емкость рынка твердотельных реле оценивают в сотни миллионов штук. Оптоэлектронное реле состоит из светодиода, свет которого падает на линейку последовательно соединенных фотодиодов, и элементов коммутации, образующих выходную ступень прибора.

Используют в основном три типа коммутационных полупроводниковых приборов: биполярные и полевые транзисторы и тиристоры. Каждый из них, обладая специфическими особенностями, занимает определенное место в системах коммутации, постепенно вытесняя электромагнитные реле.

На рис.1 показано внутреннее устройство ТТ реле. Светодиод вместе с фотодиодами представляют собой оптопару, которая преобразует входной ток через светодиод в напряжение около 6 В. Этого вполне достаточно для управления по затвору МОП-транзистором средней мощности.

Поскольку транзистор МОП конструктивно содержит в себе встроенный диод, для обеспечения «разомкнутого состояния контактов» выключенного реле при любой полярности коммутируемого напряжения, то необходима пара транзисторов, соединенных встречно. Для надежной гальванической развязки между светодиодом и линейкой фотодиодов помещают изолирующую прокладку из оптически прозрачного компаунда. Фотодиодную матрицу и устройство ускорения разрядки выполняют, как правило, на одном кристалле. Фотодиоды один от другого изолируют слоем диэлектрика, например двуокиси кремния. Это предотвращает паразитные утечки между отдельными фотодиодами, которые могут привести к снижению суммарной фотоЭДС.

Классифицируют твердотельные реле по следующим признакам:

- по типу нагрузки: одно- и трёхфазные, с диапазоном регулируемого напряжения от 40 до 440 В;

- по способу управления: постоянным напряжением (от 3 до 32 В), переменным напряжением (от 90 до 250 В) и ручному управлению переменным резистором;

- по методу коммутации:

а) с контролем перехода через ноль. Используются для коммутации емкостных (сглаживающие помехоподавляющие фильтры, содержащие конденсаторы), резистивных (лампы накаливания, электрические нагреватели) и слабоиндуктивных (катушки клапанов, соленоидов) нагрузок.

б) случайного (мгновенного) включения. Употребляются для коммутации индуктивных (трансформаторы, маломощные двигатели) и резистивных (лампы накаливания, электрические нагреватели) нагрузок при возникновении потребности в мгновенном включении нагрузки.

в) с фазовым управлением. Они меняют выходное напряжение на нагрузке и регулируют нагревательные элементы (управление мощностью), лампы накаливания (управление уровнем освещенности).

Преимуществами твердотельных реле перед электромагнитными аналогами состоят в следующем:

- включение цепи без электромагнитных помех и дребезга контактов (как известно, замыкание любых контактов сопровождается явлением дребезга; ТТ реле свободны от этого недостатка);

- высокое быстродействие (быстродействие ЭМ реле ограничено и напрямую связано с конструкцией магнитопровода, массой якоря и контактной системы, т.е. реле для коммутации больших токов не может быть быстродействующим);

- отсутствие шума (ЭМ реле при срабатывании издает акустический шум, который зависит от конструкции, точности изготовления деталей и их сборки, массы подвижных частей магнитопровода и наличия защитного колпака);

- продолжительный период работы (для ТТ реле производители гарантируют свыше 109 переключений, для ЭМ реле их количество значительно меньше);

- возможность работы во взрывоопасной среде, так как нет дугового разряда;

- низкое энергопотребление, на 95% меньше, чем у обычных реле (однако реальная картина такова, что энергопотребление ЭМ реле зависит от многих факторов, в том числе от массы якоря и подвижных контактов, но известно множество малогабаритных реле, которые в энергопотреблении могут посоревноваться со своими твердотельными собратьями, но при этом они заметно уступают им в мощности коммутируемой нагрузки);

- компактная герметичная конструкция, стойкая к вибрации и ударным нагрузкам, что снижает внутрисхемный уровень помех в аппаратуре и обеспечивает стабильность ее работы (это одно из очевидных достоинств ТТ реле, так как, например, повышенные уровни вибрации могут привести к ложным срабатываниям ЭМ реле);

- возможность низкоуровневых сигналов управления, что существенно упрощает схему включения ТТ реле в отличие от электромагнитного, для управления работой которого, как правило, необходим электронный ключ с защитой от выбросов напряжения, совместимость по входу с логическими микросхемами, обеспечивающая простоту интеграции ТТ реле в цифровые устройства (это утверждение верно лишь отчасти, так как, например, известны реле фирмы Teledyne Relays Co., которые имеют встроенные транзисторные драйвера для возможности подключения их напрямую к выходу логических микросхем);

- отсутствие индуктивности – причины возникновения нежелательных выбросов напряжения при переключении электромагнитных реле;

- неизменное контактное сопротивление в течение всего срока службы (однако это утверждение не учитывает, что сопротивление способно изменяться при увеличении температуры кристалла, о чем говорится ниже);

- высокую устойчивость к воздействию внешних электромагнитных полей;

- возможность создания более компактных и легких устройств по сравнению с аналогичными на ЭМ реле, при прочих равных условиях;

- коэффициент возврата ТТ реле практически равен 1, в то время как для ЭМ реле получить такой коэффициент конструктивными методами невозможно.

- со свертыванием производства ЭМ реле значительно экономится медь, запасы которой в природе довольно ограничены. Основным же материалом для производства полупроводниковой продукции является кремний, который по распространённости в земной коре занимает второе место после кислорода.

Отметим, что явным недостатком ТТ реле является их большая подверженность повреждениям от всякого рода перенапряжений и сверхтоков, к тому же они боятся коротких замыканий в нагрузке.

При выборе твердотельного реле следует знать, что оно нагревается при коммутации из-за потерь электроэнергии на силовых управляющих элементах. При этом рост температуры корпуса реле ограничивает величину регулируемого тока (чем больше нагрелся корпус, тем меньший ток можно коммутировать). При температуре в 40°С параметры реле остаются в норме, а при повышении температуры более 60°С величина коммутируемого тока заметно снижается. При этом ТТ реле может отключать нагрузку не полностью, перейти в неуправляемый режим и «сгореть».

Поэтому при расчетах схем, содержащих ТТ реле, в условиях коммутации токов, превышающих 5 А, необходимо предусматривать запас по номинальному току в 2–4 раза и охлаждающие радиаторы. При регулировке асинхронных двигателей запас по току нужно увеличить до 6–10 раз, так как способность твердотельного реле выдерживать перегрузки определяется уровнем «ударного тока». ТТ реле постоянного на транзисторах тока выдерживают превышение максимального тока до 3 раз, а тиристорные – до 10 раз.

Основными сферами применения твердотельных реле являются системы температурного контроля, промышленного нагрева, управления трансформаторами и электродвигателями, стабилизированного и бесперебойного электропитания, освещения промышленных и общественных объектов, а в последнее время ТТ реле стали широко применяться на железнодорожном транспорте в схемах управления движением поездов.

 

Сравнение ТТ и ЭМ реле

Теперь необходимо сказать несколько слов об аналогиях и противоречиях главных героев нашего исследования. Выше говорилось о конструкции управляющей цепи ЭМ реле. Для ТТ реле управляющей цепью являются фотодиоды, которые освещают кристаллы силовых элементов при подаче на них постоянного напряжения определенной полярности. Поэтому аналогия в конструкции управляющих цепей не является тождеством, так как для электромеханических реле возможно любое напряжение управления – от напряжения срабатывания до напряжения, при котором происходит повреждение обмотки (перегрузки могут быть 3–5-кратными), все зависит от массы контактной системы и толщины провода, полярность напряжения для нейтральных реле также роли не играет. Для твердотельных реле диапазон напряжений управления гораздо уже и ограничен сверху током пробоя кристаллов светодиодов, который на 10...30% выше их номинальной величины. К тому же, приходится, безусловно, соблюдать полярность напряжения, подаваемого на светодиод.

Следующим пунктом в поисках аналогий являются исполнительные цепи. Контакты ЭМ реле представляют собой изделия из металла, графита или металлокерамики. Они способны без искажения формы пропускать электрические токи напряжением от долей вольта до тысяч вольт (хотя это уже не является реле в обычном понимании) и с частотой от нуля до сотен килогерц. ТТ реле подобный универсализм, увы, недоступен.

Полупроводниковых реле, которые могут коммутировать напряжения в тысячи вольт, не существует. Также довольно проблематично создание структур, способных коммутировать напряжения от долей вольта до сотен вольт. Виной этому является пресловутый пороговый эффект на границах p-n-переходов и электрическая прочность кристаллов.

Если для обычного ЭМ реле напряжение пробоя определяется электрической прочностью среды между физически разорванными контактами, то для ТТ реле физического разрыва не существует, а существует отсутствие тока между запертыми структурами. Электрическая прочность их не может быть слишком высокой. К тому же, площадь соприкосновения контактов электромеханических реле гораздо меньше площади p-n-перехода твердотельных реле при одинаковых номинальных токах коммутации.

Если коммутирующим элементом ТТ реле являются тиристоры (симисторы), то коммутировать постоянный ток они не могут, а при коммутации переменного тока сильно искажают синусоиду. Частотные свойства их также ограничены. К тому же для полупроводниковых приборов характерен «симметричный отказ», когда выход из строя сопровождается переходом в неуправляемое состояние с коротким замыканием внутри кристалла или с полным обрывом. В ответственных схемах оба вида отказа, особенно первый, могут быть просто опасными.

 

Практические схемы на ЭМ и ТТ реле

Еще один немаловажный фактор, определяющий универсальность ЭМ реле, – это наличие нормально замкнутых (НЗ) контактов. Когда на обмотку обычного реле не подано напряжение, реле обесточено. В полном контактном тройнике при этом замкнуты контакты НЗ. Через эти замкнутые контакты может собираться какая-либо цепочка, например, как показано на рис.2. При обесточенных реле Кx, Кy, и Кz из-за исчезновения питания на объекте через тыловые контакты собирается цепь контроля аварийного состояния, о котором индицирует лампа HL1. Также с помощью НЗ контактов в ответственных случаях возможно контролировать размыкание (или не размыкание) НР контактов.

На рис.3 показана схема контроля реле К1. При замкнутых контактах кнопки Н реле К1 находится под током, нагрузка Load активна, реле К2 обесточено. Этот режим индицирует контрольная лампа HL2. Если разомкнуть контакты кнопки Н, то обесточится реле К1 и разомкнет контакты НЗ, а его контакты НР при этом замкнутся.

Реле К2, являясь повторителем К1, станет под ток и замкнет свои контакты НР (К2.1). При этом контакт К1.2 переключится с НР на НЗ, а К2.1 наоборот; лампа HL2 останется гореть, индицируя разомкнутое состояние контактов реле К1.

При сваривании контактов НР К1.1 и размыкании кнопки Н, будут замкнуты контакты НЗ К1.2 и К2.1, лампа HL1 погаснет, указывая на сбой в схеме. Если допустить невозможный для контактной группы К1.1 случай, когда НЗ разомкнутся, а НР не замкнутся, при этом реле К2 будет обесточенным и лампа HL2 будет погасшей.

Если для ЭМ реле контроль размыкания фронтового контакта сделать довольно просто, путем контроля замыкания контактов НЗ, то для ТТ реле приходится применять специальные методы проверки их состояния. Выше уже шла речь о том, что полупроводниковые структуры могут находиться в проводящем состоянии только при подаче напряжения смещения на p-n-переход или же освещении его световым потоком. При отсутствии напряжения или светового потока проводимости p-n-перехода быть не может. Функционально это напоминает ЭМ реле с НР контактами, в котором НЗ контакты отсутствуют.

Если взглянуть на рис.4, то можно видеть реле К3 с обмоткой и полным набором контактов К3.1. Если подать напряжение U4 на обмотку, то замкнутся контакты 1–3 (НР), если напряжение U4 отключить, то замкнутся контакты 1–2 (НР). Для того чтобы попытаться создать полный функциональный аналог ЭМ реле с полным набором контактов, придется пользоваться только контактами НР, так как канал без напряжения смещения в ТТ реле находится в непроводящем состоянии.

В нижней части рис.4 показана попытка заменить ЭМ реле с переключающимися контактами таким же ЭМ реле, но с контактами НР. Как видно, полного функционального аналога не получится, так как нужны еще одно реле и сторонний источник питания U6. Если представить, что пропадут сразу оба напряжения U5 и U6, то окажутся «разомкнутыми» оба контакта, контроля состояния реле в такой ситуации получить не удастся, так как попросту непонятно, что произошло: вышло из строя реле или же отключились оба источника питания?

По этой же причине невозможно создать функциональный аналог поляризованного реле, которое отличается от нейтрального наличием в магнитной системе постоянного магнита. Оно имеет поляризованный якорь, который переключается из одного (нормального) положения в другое (переведенное) в зависимости от направления (полярности) тока, протекающего по его обмоткам. То же самое можно сказать и о комбинированном реле, которое представляет собой сочетание нейтрального и поляризованного с общей магнитной системой. Оно имеет нейтральный и поляризованный якоря. При прохождении через обмотки тока любой полярности нейтральный якорь притягивается, при этом замыкаются управляемые ими фронтовые контакты. Переключение поляризованного якоря и замыкание управляемых им контактов происходят в зависимости от полярности тока, протекающего через обмотки реле. Комбинированное реле является трехпозиционным, так как оно может находиться в трех состояниях: без тока, возбуждено током прямой или обратной полярности.

Выше уже говорилось о «симметричных отказах», которые в ответственных схемах могут привести к опасным ситуациям. Если для ЭМ реле контроль размыкания фронтового контакта сделать довольно просто, путем контроля замыкания НЗ контактов, то для ТТ реле приходится применять специальные методы проверки их состояния.

На рис.5 показана одна из таких схем. Значения входных сигналов, а также напряжений на силовых выводах прибора считываются с некоторой периодичностью и подаются на входы контроллера, который, в свою очередь, выдает информацию на вход центрального процессора о достоверности состояний элементов управления нагрузкой. К тому же, не следует забывать, что устройства контроля являются полупроводниковыми, и их состояние также не мешало бы контролировать…

 

Работы по внедрению ТТ реле в ОАО РЖД

Вопрос, вынесенный в заглавие статьи, отнюдь не праздный. С момента своего создания Отрытое Акционерное Общество «Российские железные дороги» (ОАО РЖД) взяло курс на создание необслуживаемых и малообслуживаемых микропроцессорных станционных и перегонных устройств и систем, а также систем диспетчерского управления с целью обновления морально и технически устаревшего оборудования и сокращения эксплуатационного штата. По состоянию на 1 января 2013 г. [1], станционные микропроцессорные системы эксплуатируются на 376 станциях с общим количеством стрелок 9897.

Микропроцессорными централизациями (МПЦ) оборудованы 267 станции (7212 стрелок). Таким образом, доля станций, оборудованных микропроцессорными системами, от общего количества устройств электрической централизации составляет 6,79%. Микропроцессорные путевые блокировки эксплуатируются на 97 перегонах с общей протяженностью железнодорожного пути 1903,6 км.

Несмотря на обилие разнообразных систем от различных разработчиков и производителей, как отечественных, так и зарубежных, все специалисты ОАО РЖД признают неоспоримый факт, что построить систему без электромеханических реле на данном этапе невозможно. Ясно, что схемотехника устройств железнодорожной автоматики, построенная на базе полупроводников, не может быть аналогичной той, что построена с применением ЭМ реле. Но в силу их специфичности и особенностей выполняемых ими функций, в некоторых узлах замена электромеханических реле невозможна даже в условиях применения иной схемотехники, мощных процессоров и современного программного обеспечения.

 

По мнению автора, заката эры ЭМ реле в обозримом будущем не предвидится. Электромеханические реле заняли достойную нишу в современной электротехнике и электронике и покидать ее не собираются, а будут, скорее всего, постоянно совершенствоваться и все более специализироваться.

 

Литература

1. Анализ состояния безопасности движения поездов, надежности работы систем устройств ЖАТ в хозяйстве автоматики и телемеханики. – М., 2013.

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus