Трёхфазные твердотельные реле и основы применения приборов на практике

Трёхфазные твердотельные реле и основы применения приборов на практике

Твердотельные реле находят место в широком спектре применений для переключения электрических нагрузок, включая профессиональное оборудование, к примеру — системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Однако для лучшего понимания относительно того, как применять трёхфазные твердотельные реле и управлять, требуются отдельные сведения. В частности, сведения о разделении нагрузок на две основные категории: нагрев и управление движением.

Трёхфазные твердотельные реле (ТТР) – основы применения

Очевидно, что обозначенные применения (резистивный элемент / электродвигатель) далеко не всеобъемлющая группа, поскольку существует ряд других применений, выходящих за рамки указанных двух категорий. Например — системы освещения и распределения электроэнергии.

Однако большинство инженеров-проектировщиков, использующих трёхфазные твердотельные реле, применяют устройства именно к одному из двух указанных общих типов трёхфазных систем. Основное внимание, как показывает картинка ниже, уделяется резистивным элементам и электродвигателям.

ТРЁХФАЗНЫЕ ТТР

Трёхфазные твердотельные реле и разделение нагрузки
Блок-схема упрощённого вида управляемыми приборами ТТР: слева – термически-резистивная нагрузка (ТРН); справа – моторная нагрузка; ТТР – трёхфазное твердотельное реле; Тн – нагрузочный ток; Нн – нагрузочное напряжение; У – управляющий сигнал

Несмотря на то, что каждое применение индивидуально и требует особой проверки, сосредоточение внимания на этих двух основных категориях позволяет обобщить характеристики. Также обобщаются последующие требования, предъявляемые к трёхфазным твердотельным реле, используемым для выполнения функций переключения.

Более того, ограничение внимания мощными системами, использующими трёхфазные сети для питания систем, охватывает некоторые из наиболее требовательных коммерческих и промышленных условий, в которых сегодня используются трёхфазные твердотельные реле.

Трёхфазные твердотельные реле – определение и описание

Исполнение устройства под три фазы, по сути, представлено отдельными однофазными реле, заключёнными в одном корпусе с общим входом. Соответственно, все три отдельных устройства питаются током одновременно. Инженеры-электрики, кстати заметить, нередко используют три отдельных однофазных устройства для переключения питания на трёхфазной системе.

Обычно это делается по желанию или когда по тем или иным причинам не представляется возможным  применение именно трёхфазного твердотельного реле. Однако более распространённым и упрощённым подходом следует рассматривать использование трехфазного твердотельного реле для обеспечения функции переключения.

Такой подход упрощает электромонтаж и обычно уменьшает общую потребность в пространстве внутри конструкционной панели.

ОДНОФАЗНЫЕ ТТР

Трёхфазные твердотельные реле - сборка интеллектуального характера из десятка приборов
Пример целой сборки на основе ТТР с коммутацией на три фазы – своего рода интеллектуальный регулятор напряжения, построенный из десятка приборов, работающих совместно

Основными характеристиками твердотельных реле — однофазных или трёхфазных, являются:

  • бесконтактное включение и выключение, что означает отсутствие дуги, дребезга контактов или акустического шума;
  • высокая скорость переключения;
  • долговечность работы;
  • низкие требования к входной мощности управления;
  • отключение при нулевом токе, что существенно минимизирует электрические переходные процессы, особенно при переключении индуктивных систем;
  • включение при нулевом напряжении, что минимизирует скачки тока в обмотках и связанные переходные процессы.

Трёхфазные твердотельные реле предназначены для управления трёхфазными нагрузками переменного тока, которые в противном случае могли бы переключаться при помощи других – электромеханических, ртутных или иных контакторов.

Способы коммутации на трёхфазные твердотельные приборы

Для трехфазного резистивного нагрева обычно используются трёхфазные твердотельные реле с переходом через нуль. Эти версии устройств переключают питание нагрузки в точке пересечения нулевого напряжения каждой фазы, минимизируют пусковые токи.

Приборы статичного включения рекомендуются для переключения индуктивных нагрузок — электродвигателей, компрессоров, трансформаторов, где желательно включать три фазы одним моментом. Все приборы переменного тока (за исключением специальных версий, построенных с полевыми транзисторами) отключают выход при нулевом токе.

Отключение проходит независимо от того, управляются ли приборы нулевым напряжением или статичным включением. Таким образом, уменьшаются переходные процессы, вызванные открытием нагрузки посредством магнитного поля, которое сводится к нулю.

РАДИАТОР ТТР

Трёхфазные твердотельные реле на охлаждающем радиаторе
Пример радиаторной сборки под прибор ТТР на три фазы, предназначенной для рассеивания тепла, выделяемого схемой при максимальных токовых нагрузках

При включении твердотельного реле в трёхфазные схемы необходимо учитывать: рассеивание тепловой мощности прибора по причине потерь в выходных силовых полупроводниках. Этот момент нередко требует использования внешних радиаторов (теплоотводов) для поддержания допустимой рабочей температуры.

Электрические переходные процессы, передаваемые по линиям электропередач или создаваемые переключением реактивных нагрузок, могут потребовать дополнительной защиты от переходных процессов. Также приходится учитывать выбор включения нулевого или ненулевого напряжения в зависимости от типа нагрузки.

Стандарты безопасности для трёхфазных твердотельных реле

Наиболее распространённые номинальные категории относятся к применениям для резистивных нагрузок и электродвигателей. Основное различие между этими двумя номиналами заключается в токах. Трёхфазные твердотельные реле для электродвигателей необходимо рассчитывать на работу, как с током заторможенного двигателя, так и с током полной нагрузки.

Таблица ниже показывает три наиболее распространённых стандарта под трёхфазные твердотельные реле для работы с электродвигателями.

Таблица стандартов ТТР под номинальные моторные нагрузки

Стандарты Классификация
UL508 Контроллер электродвигателя
IEC62314 Моторная нагрузка, LC B
IEC 60947-4-2 Контроллер электродвигателя, AC-53a

Стандарты, отмеченные таблицей, требуют, чтобы переключатели, предназначенные для управления нагрузкой электродвигателя, выдерживали токи полной нагрузки. В результате, конкретный прибор будет иметь разные номинальные значения тока для резистивных нагрузок или нагрузок двигателя.

По сути, номинальная резистивная нагрузка трёхфазного твердотельного реле снижается, когда имеет место применение к нагрузкам двигателя. Например, твердотельный прибор ТТР, способный выдерживать резистивный ток 50А, фактически рассчитывается как ТТР мощностью 17А, при использовании в системах управления электродвигателем.

Приборы ТТР для трехфазных асинхронных двигателей

Исторически наиболее распространенными устройствами, используемыми для переключения мощности на асинхронные двигатели, являются электромеханические реле и контакторы. Однако по мере роста спроса на улучшенные характеристики и надёжность работы, трёхфазные твердотельные реле находят всё большее применение.

Как и в случаях с резистивной нагрузкой, управление электродвигателем может быть выполнено при помощи:

  1. Трёх отдельных ТТР,
  2. Одного трёхфазного прибора.
  3. Двух (или одного сдвоенного) ТТР, если это позволяет спецификация.

Явными преимуществами твердотельных реле для управления трёхфазным асинхронным двигателем отмечаются:

  • исключение механической усталости конструкции;
  • работа без контакта, без шума, без дуги;
  • высокоскоростное переключение;
  • низкая входная мощность управления;
  •  отсутствие катушек индуктивности;
  • отключение нагрузки при нулевом токе;
  • долгий срок службы в отличие от механических реле и контакторов;
  • изоляция входа / выход до 4000В переменного тока;
  • полное соответствие директиве по ограничению вредных веществ.

Пуск и остановка мотора твердотельным прибором ТТР

Большинство применений трехфазных электродвигателей ограничиваются только функциями включения / выключения. Например, промышленный вентилятор обычно работает только в одном направлении, обеспечивая циркуляцию воздуха, поэтому мотор вентилятора достаточно только включать и выключать.

Компрессор — еще один пример, когда для правильной работы двигателя просто требуется подключение к трём фазам цепи питания переменного тока. Для таких применений обычно используется простое трёхфазное твердотельное реле, контактор или пускатель для подачи питания одновременно на все три обмотки статора мотора. Используется один входной сигнал управляющий контактором.

АССОРТИМЕНТ

Трёхфазные твердотельные реле в разных вариантах включения
Варианты ТТР для реализации управления асинхронным двигателем с помощью монтируемых на панели приборов, дополненных охлаждающим радиатором

Коэффициент мощности для нагрузок асинхронных двигателей имеет довольно низкое значение (<0,6), поэтому возможен значительный сдвиг между напряжением и током каждой фазы (фазовый ток отстает от фазного напряжения). Приборы ТТР с переходом через ноль обычно не подходят для таких применений, поскольку реле включается, когда синусоидальная волна переменного тока приближается к точке перехода через ноль.

Трёхфазным системам переменного тока характерен сдвиг каждой фазы на 120° относительно двух других фаз. То есть, твердотельный прибор ТТР с нулевым напряжением перехода будет подключать каждую фазу последовательно, а не одновременно, как это необходимо.

Также по причине фазовых сдвигов, связанных с асинхронными двигателями, реле может не включиться из-за недостаточного тока фиксации через выходные тиристоры до того, как линейное напряжение превысит нулевое окно.

В некоторых случаях реле может работать неравномерно, в полуволновом режиме, обеспечивать питание только одной или двух фаз двигателя. Поэтому рекомендуется статичное включение (иногда называемое «моментальным» или «асинхронным» включением) твердотельных реле.

Выход прибора статичного включения переключает фазы в пределах 100 мкс подаваемого входного сигнала, независимо от амплитуды напряжения синусоидальной волны переменного тока. Таким образом, подача всех трёх фаз на обмотку электродвигателя выполняется одновременно. Сдвиги фаз между током и напряжением не влияют на характеристики включения трёхфазного твердотельного реле.

Критерии выбора приборов для управления электродвигателями

Условия переходного тока также необходимо учитывать при выборе трёхфазных твердотельных реле для использования с электродвигателями. В зависимости от размера мотора и нагрузки, приложенной к статору, пусковой ток при первом включении может в 5-7 раз превышать нормальный рабочий ток.

Эта перегрузка, потенциально достигающая значения тока заторможенного ротора двигателя, будет постепенно уменьшаться до номинального значения тока полной нагрузки. Происходит это в течение нескольких циклов переменного тока по мере того, как электродвигатель начинает вращаться. Однако применяемое реле и соединения должны соответствовать перегрузкам, возникающим в процессе запуска.

Также необходимо учитывать возможность остановки электродвигателя при определённых условиях, когда линейный ток будет равен или больше тока заторможенного ротора. В этом случае необходимо использовать защиту от перегрузки по току, как твердотельного прибора ТТР, так и самого электродвигателя.

Для надежности и безопасности рекомендуется обеспечить защиту от переходных процессов для всех твердотельных реле, управляющих трёхфазными асинхронными моторами. Такая защита может быть доступна внутри прибора ТТР или применяться внешним модулем.

Чаще всего используются варисторы, хорошо рассеивающие мощность, но несколько медленно реагирующие на быстрые переходные процессы. Однако двунаправленные диодные ограничители бросков напряжения (TVS-диоды) обеспечивают оптимальные характеристики для быстрых переходных процессов, несмотря на более низкие показатели рассеяния мощности, чем у варисторов на основе окиси металла.


При помощи информации: Crydom