Надежность автоматики

Подробности

Родительская категория: Литература

Категория: Я электрик! №15

Надежность автоматики, надежность систем автоматики: проблемы и решения

Автор: Игорь ШЕЛЕСТОВ, инженер компании ОВЕН

Надежность автоматики электронных и электротехнических устройств во многом определяется надёжностью применяемых коммутирующих элементов. О надёжности самих коммутирующих элементов пойдёт речь в этой статье.
Как известно, значительная часть неисправностей в электронных устройствах связана либо с отсутствием электрического контакта, либо с наличием там, где быть его не должно. Среди разных видов электрических коммутаторов почётное место занимают электромагнитные реле. В электротехнике и электронике они используются для коммутации цепей прохождения сигналов, а в простейшей надежности системы автоматики служат для организации логики управления и включения исполнительных
устройств.

История развития надежности систем автоматики

Первые компьютеры изготавливались релейными. В 1931 году американская корпорация IBM первой в мире выпустила релейную вычислительную машину модели IBM-601. За период до 1935 г. их было продано более 1500. Несмотря на большие габариты устройства, представители бизнеса, инженеры и учёные были очень довольны его работой. Просто альтернативы реле в то время не было. Найдутся ли сегодня желающие постоянно пользоваться релейным вычислителем?Первые электромагнитные реле (от английского relay – смена, передача) появились в телеграфных аппаратах, затем их стали использовать в телефонии, где они до недавнего времени составляли основу элементной базы АТС. Реле совершенствовались и вскоре стали неотъемлемой частью большинства электронных и электротехнических устройств.До изобретения активных полупроводниковых компонентов на электромагнитных реле выполнялась вся промышленная автоматика. Начиная с 60-х годов электромагнитные реле начали постепенно вытесняться электронными коммутаторами. Широкому распространению электромагнитных реле в надежности автоматики способствовало наличие у них ряда полезных свойств, основные из которых – хорошая электроизоляция между коммутируемыми цепями (количество которых может превышать десяток) и малое контактное сопротивление. К недостаткам, ограничивающим область применения реле, а в некоторых случаях сводящим к нулю все достоинства, относятся износ подвижных частей и самих контактов (окисление, залипание или сваривание), а также дребезг соединения при переключении (он создаёт помехи и тоже ускоряет
износ). Попробуем разобраться в причинах этих недостатков.

О контактах электромагнитных реле

Любая поверхность характеризуется наличием неровностей, препятствующих полному её контакту с другой поверхностью. Вследствие этого электрическое соединение при замыкании контактов реле образуется на небольших площадках, как это показано на рис. 1. В результате получается неравномерное распределение тока по поверхностям. Плотность тока в местах контактирования может достигать больших значений, что приводит к нагреву и коррозии материала контактов (рис. 2).

Рис. 1 – Условное изображение замкнутых контактов реле (увеличено)

Рис.2 - Вид контактов электромагнитного реле, проработавшего некоторое время

Немало проблем создаёт и электрический разряд, возникающий при механической коммутации цепей. При разряде материал контактов испаряется и разбрызгивается, а поверхности окисляются. Следует отметить, что при коммутации реактивной нагрузки контакты разрушаются быстрее из-за большей энергии разряда.
Наиболее наглядно перечисленные недостатки проявляются при больших коммутируемых токах – увеличение тока увеличивает износ контактов. При токовой перегрузке они могут просто привариться друг к другу – именно по этой причине по правилам техники безопасности требуется неисправную аппаратуру отключать от сети отсоединением питающего кабеля (даже у обычного механического выключателя контакты могут привариться и не разомкнуть цепь).Не вникая глубоко в теорию коммутационных процессов, обратимся к практике.

Ненадёжность большинства типов реле может подтвердить любой электрик, имеющий опыт обслуживания промышленного оборудования. В качестве примера вспоминается случай из жизни, свидетелем которого автору довелось стать на одном небольшом предприятии.
В цеху работала бригада электриков, состоявшая из трёх человек. Скучно им никогда не было из-за этих самых электромагнитных реле. Дело в том, что на производственном оборудовании использовалось много электронагревателей для превращения гранул сырья в текучую пластическую массу. По технологии экструдер пресса во всех зонах прогревался до определённых температур – везде разных. Для поддержания нужной температуры в зонах были установлены датчики на основе термопар и терморегуляторы с релейным выходом, которые автоматически коммутировали нагреватели при помощи мощных промежуточных реле. Их контакты периодически приходилось зачищать (занятие хлопотное, да и помогает не надолго), а оборудование при этом простаивало. К тому же неисправные цепи надо было ещё найти, что тоже требовало дополнительного времени.
Когда электрикам окончательно надоело выполнять эту малоэффективную работу, в перерывах между ремонтами они начали самостоятельно, из подручных материалов, собирать электронные коммутаторы для замены электромагнитных реле. Выглядит такое устройство очень просто: на диэлектрическом основании закрепляются на радиаторах два тиристора и один резистор (рис. 3).

Рис. 3 - Схема электронного коммутатора для цепи переменного тока

Коммутатор выполнен на двух встречно включенных тиристорах, но на каждой полуволне сетевого напряжения будет работать только один – соответствующий. При замыкании управляющих контактов К1.1 в нагрузку будет поступать почти неискаженный синус, ведь тиристоры открываются практически в самом начале полуволны напряжения.Для управления включением нагрузки используется особенность внутренней структуры тиристоров, обеспечивающая протекание управляющего тока при замкнутых контактах промежуточного реле (К1). Резистор R1 ограничивает этот ток и имеет номинал 360...560 Ом (мощность не менее 2 Вт). Контакты К1.1 в цепи управления тиристоров могут быть низковольтными и слаботочными (150…250 мА), что практически обеспечивает любое миниатюрное реле из используемых в стандартных электронных блоках управления. Тиристоры выбираются в зависимости от нужного тока в нагрузке.
О других вариантах замены силового реле Для коммутации цепей переменного тока лучше подходят симисторы, которых требуется в два раза меньше, чем тиристоров. Многими из них также можно управлять при помощи контактов маломощного реле, например, как это показано на рис. 4.

Рис. 4 - Схема силового коммутатора на симисторе

Довольно простой получается схема управления для коммутации небольшой мощности (100…150 Вт) с использованием симистора КУ208Г (Г1) (рис. 5).

Рис. 5 - Схема коммутатора на симисторе КУ208Г

Этот симистор, однако, не рекомендуется применять в промышленной надежности систем автоматике из-за низкого рабочего напряжения (всего 400 В). Силовые тиристоры и симисторы выбираются так, чтобы номинальный рабочий ток для них был всегда больше, чем проходит в цепи нагрузки, а класс рабочего напряжения (последняя цифра в обозначении промышленных коммутаторов) по возможности выше. Это обеспечит надёжную работу коммутатора даже в условиях высоковольтных импульсных помех. Импульсные помехи не редкость при включении и выключении мощных электромоторов и других потребителей энергии на производстве.Показанные на схемах пунктиром RC-цепи из последовательно включенных резистора и конденсатора рекомендуется применять для защиты электронных ключей от высоковольтных выбросов напряжения в сети в момент коммутации индуктивной нагрузки. Конденсатор для этих целей лучше использовать типа К42У-2 или К73-11 с номиналом 0,01…0,1 мкФ и рабочим напряжением не менее 630 В. Вместо этих цепей можно также использовать варисторы на рабочее напряжение 630 В.Тиристоры и симисторы исключают возникновение разряда при переключении и отличаются высокой надёжностью, так как выдерживают значительные кратковременные перегрузки по току.
Общим недостатком приведённых выше схем (как и у электромагнитного силового реле) является появление в сети импульсных помех при коммутации нагрузки. Это объясняется тем, что момент замыкания силовой цепи не синхронизирован с переходом сетевого напряжения через нуль.
Чтобы избавиться от коммутационных помех придётся полностью отказаться от релейных контактов и во вспомогательных цепях управления, о чём и пойдёт речь в следующем номере журнала.