Однофазные и трехфазные реле постоянного тока — принцип работы

Для контроля различного электронного оборудования требуется прибор, отличающийся миниатюрными размерами и высокой степенью надежности. К таким устройствам относятся твердотельные реле постоянного и переменного тока. Они нашли свое применение в бытовых и промышленных условиях. Реле можно самостоятельно собрать и установить своими руками без особых трудностей. Единственный критерий, препятствующий широкому распространению устройства – его стоимость. Прежде чем использовать твердотельное реле, нужно разобраться с его параметрами, принципом работы, конструкцией.

Принцип работы

Твердотельное реле – это модульный полупроводниковый прибор, используемый для замыкания и размыкания электрических сетей. Он представлен в виде транзисторов, симисторов, тиристоров. Твердотельные реле также называются SSR (solid state relay).

Основные компоненты, из которых состоит реле:

• входной узел;
• предохранители;
• триггерная цепь;
• развязка;
• узел переключения;
• защитная цепь;
• выходной узел.

Большая часть твердотельных реле применяется для автоматики, подключенной к электросети 20-480 Вольт.

Принцип действия устройства прост. В корпус реле входят два контакта и два управляющих провода. Их число может изменяться в зависимости от фаз, которые были подключены. Под действием напряжения происходит переключение основной нагрузки.

Работая с реле, нужно учитывать, что под высокими напряжениями есть риск появления небольших токов утечки, которые могут навредить технике. Это связано с тем, что в реле остается небольшое сопротивление.

Известные модели

Основные характеристики зависят от многих факторов. К популярным отечественным моделям, произведенным фирмами КИПпрбор, Протон, Cosmo, относятся:

• ТМ-О. Устройства со встраиваемой схемой «ноль», через которую проходит переход фазы.
• ТС. Модели, которые выключаются в любой момент времени.
• Наиболее популярные и используемые – ТМВ, ТСБ, ТСМ, ТМБ, ТСА. Они обладают выходной RC цепью.
• Тс/ТМ – силовые. Токи достигают значений 25 мА.
• ТСА, ТМА – применяются в чувствительных приборах.
• ТСБ, ТМБ – низковольтные модели. Напряжение не превышает 30 В.
• ТСВ, ТМВ – высоковольтные. Напряжение достигает 280 В.

К иностранным аналогам относятся изделия, произведенные фирмами Carlo Gavazzi, Gefran, CPC.

Расшифровка

Модели SSR, TSR (однофазные и трехфазные соответственно) являются самыми популярными. Их сопротивление равно 50 Мом и более при напряжении 500 В.

Записывается обозначение как SSR -40 D A H. SSR или TSR обозначает число фаз. 40 – нагрузка в Амперах. Буквой обозначается сигнал на входе (L 4-20 мА, D – 3-32 В при постоянном токе, V – переменное сопротивление, A – 80-250 В при переменном токе). Следующая буква – входное напряжение (А – переменное, D – постоянное). Последняя буква – диапазон выходных напряжений (Н – 90-480 В, нет буквы – 24-380 В).

Особенности работы с устройством

При работе с твердотельным реле 220в (управление 220), нужно придерживаться следующих правил:

• Соединение должно осуществляться винтовым способом. Оно является достаточно надежным. Спайка частей не нужна, скрутка запрещена.
• Нельзя допускать попадания пыли, воды и металлических предметов на реле. Они приводят к выходу из строя компонента.
• Нельзя прикладывать недопустимые внешние воздействия на корпус. К ним относятся заливание жидкостью, удары, вибрации, падения.
• Не трогать прибор во время работы. Корпус нагревается, из-за чего человек может получить ожог.
• Не устанавливать реле рядом с легковоспламеняемыми предметами.
• Перед подключением цепи следует убедиться в корректности собранных соединений.
• При нагреве корпуса выше 60 градусов требуется установка дополнительного охлаждения с помощью радиаторов.
• Нельзя допускать появления короткого замыкания на выходе.

При соблюдении требований к эксплуатации реле будет выполнять свою работу надежно и качественно весь заявленный срок.

Преимущества и недостатки

Твердотельные реле имеют ряд положительных качеств перед электромеханическими аналогами. К ним относятся:

• Долговечность. Полупроводниковый прибор способен выдержать до десятков тысяч циклов включения и выключения.
• Создается качественное подключение.
• Грамотный контроль нагрузки.
• Высокое быстродействие.
• Отсутствие электромагнитных помех в замкнутой сети.
• Быстрое срабатывание.
• Бесшумность работы.
• Миниатюрные размеры.
• Отсутствие дребезгов контактов.
• Высокая производительность.
• Возможность плавного перехода между сетями постоянного и переменного тока. Зависит от мощности и типа прибора.
• Широкая область применения.
• Выдерживает перегрузки в 2000.
• Защита от резких и больших скачков напряжения и тока.

Есть и ряд минусов, из-за которых электромеханическое реле может быть выгоднее в применении. В первую очередь это высокая стоимость изделия и сложность его покупки. Приобрести твердотельные реле можно только в профессиональном специализированном магазине электронных компонентов. Сложности возникают и при первичной коммутации – могут появиться высокие скачки тока. Возникающие в процессе работы микротоки также негативно сказываются на реле.

На работу устройства накладываются и эксплуатационные требования – в помещении должен быть нормальный уровень пыли и влажности. Оптимальные значения можно найти в документации к реле.

Твердотельные реле не могут работать с приборами, напряжение которых превышает 0,5 кВ. Повышение рекомендуемых значений может привести к расплавлению контактов.

Области применения

Несмотря на высокую цену, твердотельные реле активно применяются в различных сферах. Они успешно справляются со следующими задачами:

• Регулирование температуры с помощью тэна.
• Поддержка нужной температуры в технологических процессах.
• Коммутация управляющих цепей.
• Замена пускателей бесконтактного типа.
• Управление электрическими двигателями.
• Контроль нагрева трансформаторов.
• Регулирование уровня подсветки.

В каждом случае используется определенный тип реле.

Классификация твердотельных реле

Полупроводниковые твердотельные реле можно классифицировать по разным показателям. По особенностям контролирующего и коммутируемого напряжения выделяют:

• Твердотельные реле постоянного тока. Их используют в цепях постоянного электричества с мощностью от 3 до 32 Ватт. Отличаются высокими удельными характеристиками, наличием светодиодной индикации, надежностью. Рабочий температурный диапазон достаточно широк и составляет от -30 до +70 градусов.
• Реле переменного тока. Они отличаются низким уровнем электромагнитных помех, отсутствием шумов, малым потреблением электроэнергии. Диапазон рабочих мощностей составляет от 90 до 250 Вт.
• Реле с ручным управлением. С помощью таких устройств можно самостоятельно регулировать режим работы.

По типу напряжения выделяются однофазные и трехфазные реле. Однофазные приборы используются в сетях с силой тока от 100 до 120 А или от 100 до 500 А. В них управление осуществляется за счет получения аналогового сигнала и переменного резистора. Трехфазные реле используются для коммутации на трех фазах одновременно. Сила тока 10-120 А. Трехфазные модели служат дольше однофазных.

В отдельную группу из трехфазных твердотельных реле выделяют устройства реверсивного типа. Они отличаются маркировкой и бесконтактным соединением. Основной функцией является надежная коммутация каждой цепи по отдельности. Они защищают цепь от ложных срабатываний. Основное применение нашли в асинхронных двигателях. Для работы с реле необходима установка предохранителя или варистора.

По методу коммутации реле классифицируются так:

• устройства емкостного или редуктивного типа, а также приборы слабой индукции;
• со случайным или мгновенным срабатыванием;
• с фазным управлением.

По конструкции можно выделить модели, устанавливающиеся на дин рейку и на специальную планку переходного типа.

Советы по выбору

Купить твердотельные реле можно только в специализированном магазине электронной техники.  Опытные специалисты помогут подобрать лучшее устройство для определенных целей. На стоимость изделия влияют следующие факторы:

• тип реле;
• наличие фиксирующих механизмов;
• материал корпуса;
• время включения;
• фирма-изготовитель и страна производства;
• мощность;
• необходимая энергия;
• габариты.

При покупке важно учесть, что должен быть запас по мощности, превышающий рабочую в несколько раз. Это убережет реле от поломок. Также дополнительно используются специальные предохранители. К самым надежным относятся:

• G R – используются в широком диапазоне нагрузок, отличаются высоким быстродействием.
• G S – работают во всем диапазоне токов. Надежно защищают устройство от превышения нагрузки электросети.
• A R – защищают компоненты полупроводникового устройства от короткого замыкания.

Такие приборы обеспечивают высокую защиту от поломок. Их стоимость сопоставима с ценой самого реле. Меньшими защитными свойствами и, соответственно, меньшей стоимостью обладают предохранители классов B, C, D.

Для надежной и стабильной работы реле нужно подобрать охлаждающий радиатор. Особенно это актуально при превышении температуры выше 60 градусов. Запас тока для обычного реле должен превышать рабочие токи в 3-4 раза. При работе с асинхронными двигателями этот показатель должен увеличиться до 8-9 раз.

Схемы подключения

Существуют различные способы подключения твердотельных полупроводников. Они зависят от особенностей подключаемой нагрузки. Дополнительно в схему могут включаться различные элементы управления.

К наиболее используемым схемам относятся:

• Нормально-открытая. Нагрузка находится под напряжением при наличии управляющего сигнала.
• Нормально-закрытая. Нагрузка находится под напряжением при отсутствии управляющего сигнала.
• Управляющее и нагрузочное напряжение равны. Используется для работы в сетях постоянного и переменного тока.
• Трехфазное. Может подсоединяться по-разному – «звезда», «треугольник», звезда с нейтралью».
• Реверсивное. Разновидность трехфазного реле. Включает в себя 2 контура управления.

Прежде чем собирать схему, ее нужно нарисовать на бумаге.

Подключение к сети производится через пускатели или контакты. При использовании трехфазного реле все 3 фазы должны быть подключены к соответствующим клеммам, расположенным сверху прибора. Маркируются верхние фазные контакты буквами A, B C, ноль – N.

На устройстве есть и нижние клеммы, маркирующиеся цифрами 1, 2, 3. Подключаются они по следующему алгоритму:

• 1 – к выходу катушки в контакторе.
• 3 – на любую фазу, которая проходит в обход реле.
• 2 – к нулю сети.

Силовые элементы подключаются следующим образом: фазы под напряжением нужно подсоединить к соответствующим клеммам на контакторе; нагрузочные проводники – на выход контактора; нули объединяются на общей шине в распределительной коробке.

Настройка реле будет рассмотрена на примере VP 380 А:

• Устройство включить в сеть.
• Посмотреть на дисплей. При отсутствии напряжения будут мигать цифры. Появление черточек сигнализирует об изменении чередования фаз или отсутствии одной из них.

В нормальном состоянии электросети примерно через 15 секунд должны замкнуться контакты 1 и 3, подающие питание на катушку и в сеть.

Если подключение выполнено неверно, экран будет мигать. Тогда нужно проверить его правильность. Выставить необходимые настройки можно с помощью кнопок на корпусе. Кнопки с треугольниками отвечают за выставление нужных пределов.