當前信息：如何為工業(yè)應用選擇高安全性功率繼電器

作者：貿澤電子 ?Mark Patrick

(資料圖)

為工業(yè)應用選擇合適的繼電器需要深思熟慮。選擇這些產品的常用考慮因素包括檢查所需的電壓和電流，以及繼電器最大可用空間等方面，而且要注意任何特定組件的間隔距離。其它一些更復雜的考慮因素還包括是否有適用于該具體應用的安全標準。本文將討論設計工程師在開發(fā)工業(yè)和商業(yè)應用以及選擇合適的繼電器時所需要面臨的要求和挑戰(zhàn)。

在繼電器選擇過程中，工程師需要認真審查兩個技術方面。首先，本文將重點介紹浪涌電流峰值如何會嚴重損壞繼電器觸點，使其無法再正常工作。這種故障突出表明需要遵守電梯、工業(yè)切割機和鐵路信號等設備的安全標準。第二個主題則涉及空間受限的環(huán)境，例如工業(yè)控制柜，需要匹配足夠的可用空間來安裝所需數量的繼電器。

為電氣要求苛刻的環(huán)境選擇繼電器

在過去十年中，工業(yè)制造格局經歷了快速轉型。以提高整體運營效率為重點，工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網 (IIoT) 等產業(yè)趨勢推動了對工業(yè)自動化設備和系統(tǒng)的需求增長。

工業(yè)系統(tǒng)需要一種有效的方法從低壓接口來控制到設備的高功率軌，電磁繼電器提供了一種實現此類動作的有效方法，并且通常可用一個信號打開或關閉多組觸點。雖然這種不起眼的繼電器可以提供簡單且低成本的解決方案，但在某些情況下，受控設備可能需要滿足嚴格的功能安全要求。例如，液壓機操作員必須 100% 確定僅在得到指示時才進行操作。IEC 61508 及其工業(yè)設備衍生標準等功能安全標準規(guī)定了保護設備用戶和防止設備損壞所需的安全完整性等級 (SIL)。另一項安全標準 IEC 61810-3（以前稱為 EN 50205）明確適用于針對安全和自我監(jiān)控控制應用的繼電器。

應對浪涌電流

浪涌電流可能會對任何電氣開關設備造成損壞，例如開關、接觸器（contactors）和繼電器等。當施加到負載的電源電壓過高導致出現過大電流時，就會出現浪涌電流。電機和變壓器等感性負載以及儲能設備等容性負載特別容易出現高浪涌電流，其幅度可能高出平均穩(wěn)態(tài)電流的四十倍。在繼電器中，突然的浪涌電流可能會在繼電器觸點之間產生瞬時電弧，從而導致它們被焊接在一起。繼電器可能表明上看起來仍按預期的那樣運行，但其關斷負載電源的能力已經受到損害。

有幾種方法可以減少浪涌電流。其中包括緩慢增大施加到負載的電壓或使用零交叉開關 (ZCS)，例如固態(tài)繼電器 (SSR)。 ZCS 通過檢測交流電源電壓在正負峰值（零交叉點）何時變?yōu)榱?，此時電流也為零。一旦發(fā)生過零（zero-crossing），繼電器可以打開或關閉負載。

不幸的是，高電感性負載的本質是最大電流點可能大大滯后于電壓峰值，會使零電壓和零電流出現的時間產生錯位。因此，過零開關和固態(tài)繼電器（ZCS/SSR）方法可能會導致開關大電流。此外，眾所周知，ZCS/SSR 是目前所用開關方法中造成破壞性和有害電磁干擾 (EMI) 的潛在來源，要實現 ZCS/SSR 功能安全的合規(guī)性，需要對半導體電路進行復雜的監(jiān)控。

力引導繼電器

可靠和安全地開關電路的最可行和最簡單方法是使用力引導繼電器 (FGR)，這些繼電器需要遵從之前強調的 IEC 61810-3 標準。力引導繼電器使用的構造方法能夠確保常開（make/NO）觸點不能呈現與常閉（break/NC）觸點相同的狀態(tài)。如果繼電器內發(fā)生觸點焊接或其他潛在故障，觸點的強制移動會與故障觸點保持 0.5mm 的指定最小距離。

圖1：來自TE Connectivity 的FGR 觸點的特寫照片。

圖 1 為一組力引導繼電器觸點構造方法的特寫照片。

TE Connectivity 的 SCHRACK 力引導繼電器產品組合可用于安全相關應用，其中包括安全聯(lián)鎖、緊急停止開關和機器人控制系統(tǒng)等。除了工業(yè)應用之外，FGR也可應用于各種控制系統(tǒng)，包括電梯門控制、鐵路信號系統(tǒng)和醫(yī)療診斷設備等。

SCHRACK 產品系列具有多種靈活的設計選項，例如可提供多種觸點配置、不同的觸點電鍍選項以及各種引腳布局，以實現更高的額定電壓。標準和敏感線圈選項則能夠提供更長的使用壽命，以及更加優(yōu)化和改進的散熱曲線。

圖 2 突出顯示了 SCHRACK FGR 產品系列，其中包括從 2 極的SR2M 系列到 7極的SRL7 系列。

圖2：TE Connectivity SCHRACK 力引導繼電器產品組合。（來源：TE Connectivity SCHRACK）

力引導繼電器的一個典型例子是SCHRACK SR2M 。該2 極繼電器符合 EN61810-3（以前稱為 EN50205）標準，并在兩極之間加強了絕緣。開關觸點的額定電壓為 250VAC，最大為 400VAC，額定開關電流為6A。所用觸點材料為銀鎳 (AgNi)。觸點布置為 1 Form A (SPST-NO) 和 1 Form B (SPST-NC)。繼電器線圈的工作電壓取決于型號，能夠涵蓋從 5VDC 到 110VDC 的所有流行標稱電壓。它能夠以插件或焊接引腳格式提供。SR2M 的典型應用包括緊急關閉、液壓機控制、電梯和自動扶梯控制以及安全監(jiān)控等。

力引導繼電器的另一個示例是四極 SCHRACK SR4D/M，該繼電器可提供3 Form A和1 Form B觸點3 NO + 1 NC 或者 2 Form A + 2 Form B 觸點2 NO + 2 NC。觸點材料為銀氧化錫 (AgSnO2)，每個觸點的額定電流為 8A。

用于空間受限工業(yè)應用的 FGR

大多數工業(yè)生產設備由控制柜內DIN導軌安裝過程邏輯控制器 (PLC) 控制。隨著機械設備變得更加復雜和設備功能密度增加，工廠的占地面積變得非常寶貴。通常，工程師僅限于每套生產設施使用一個控制柜，從而對控制設備的使用有嚴格限制?，F代工業(yè)控制器需要提供高密度功能，需要在給定空間實現更多功能，但這種方法也需要將散熱保持在最低限度。

一個 DIN 導軌安裝力引導繼電器的例子是緊湊型SCHRACK XT。SCHRACK XT 可提供單極或兩極型號，額定電流為 16A (1P) 或 8A (2P)。力引導繼電器可以與 24VDC 線圈或 24VAC、115VAC 或 230VAC 線圈一起訂購。

保持工業(yè)電氣系統(tǒng)安全運行

對于我們日常生活的方方面面，遵守適用的安全標準對保證任何人身安全都至關重要，尤其是存在機械和工藝設備潛在安全隱患的工業(yè)過程。功能安全標準規(guī)定了評估和確定風險的總體框架，對于繼電器，IEC 61810-3 規(guī)范指定了將力引導繼電器用于安全控制應用。

為了保護生命安全，TE Connectivity SCHRACK 產品系列中的力引導繼電器對于任何與安全相關的應用來說都必不可少。

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