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继电器的选择和应用

日期:2020-09-21 12:12
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摘要:

继电器的选择和应用

   继电器在控制电路中有独特的电气、物理特性,其断态的高绝缘电阻和通态的低导通电阻,使得其它任何电子元器件无法与其相比,加上继电器标准化程度高、通用性好、可简化电路等优点,所以继电器仍得以广泛应用。随着科技的飞速发展,继电器在程控通信设备中的使用量还在进一步增加,所以,如何保证继电器的可靠性,满足整机系统的可靠性,成为人们关注的焦点。
                  电子元器件的可靠性应由两部分组成,一是元器件的固有可靠性;二是元件的使用可靠性。固有可靠性是元器件可靠的基础,主要靠元器件制造商从设计、制造等方面进行有效的控制,以保证制造出来的元器件达到要求的可靠性等级。使用可靠性则是从使用入手,如何保证和提高元器件的可靠性,使其能满足整机系统的可靠性要求。没有高可靠质量等级的元件,不可能制造出高可靠的电子设备,所以元器件的固有可靠性是整机可靠性的基础。但是,有了高可靠质量等级的元件也并不一定能制造出高可靠的整机,这里面就有—个使用可靠性的问题。所谓使用可靠性,就是根据各种元器件的特点利用可靠性设计技术,即元器件的合理选用、降额设计、容差与漂移设计、抗振设计、热设计、三防设计、抗幅射设计、电磁兼容设计、人机工程设计及维修设计等,较大限度的发挥元器件固有可靠性的作用,以达到整机系统的可靠性要求。
                  根据有关部门对整机失效原因的分析统计,其中有百分之四十以上的故障是由于元器件选用不合理造成的。随着元件制造技术的不断提高,在元器件的固有可靠性已经有了较大提高的情况下,使用可靠性就显得特别重要,而且,随着整机系统功能愈来愈全,所用元器件愈来愈多,对可靠性要求也愈来愈高,所以使用可靠性也愈来愈受到科技界的重视,并且发展成一门新的学科一人为工程。
                  由于继电器是一种机电一体化的元件,是由电磁及机械传动部分组成的,与其它电子元件相比,要复杂得多,加之在制造过程中有些装配调整是手工操作,所以产品的一致性和可靠性要差一些。但是,如果在使用中采取一些防范措施,仍能达到较满意的效果。在对失效继电器进行失效分析中发现,由于使用原因造成的失效约占百分之三十以上。由以上分析可知,继电器可靠性不高,除自身质量原因外,使用不当也是一个主要原因。现在,我们重点研究如何在使用中提高继电器可靠性的措施。继电器的种类较多,这里重点研究目前使用较多的电磁继电器的使用可靠性。
                  面对纷繁复杂的继电器产品,如何合理选择、正确使用,是系统开发、设计人员密切关注并且必须优先解决的实际问题。要做到合理选择,正确使用,就必须充分研究分析系统的实际使用条件与实际技术参数要求,按照“价值工程原则”,恰如其分地提出所选用继电器产品必须达到的技术性能要求。在整机的可靠性设计中,要求合理选用元器件。元器件的选择和控制是需要多学科知识才能完成的一项任务,一般应由元件工程师、可靠性设计师、总体及电路设计师、失效分析人员共同完成。首先要根据整机系统的重要程度、可靠性要求、所使用的环境条件及成本等项要求综合考虑和选择。具体说来,大致可按下列要素逐条分析研究,确认所要求的等级以及量值范围。选择时必须重视以下几个方面的要求。
                  2  继电器应用环境条件
                  气候应力作用要素,主要指温度、湿度、大气压力(海拔高度)、沿海大气(盐雾腐蚀)、砂尘污染、化学气体和电磁干扰等要素。考虑到系统在国内各地各行业及自然环境的普遍适用性,兼顾必须长年累月可靠运行的特殊性,系统关键部位必须选用具有高绝缘、强抗电性能的全密封型(金属罩密封或塑封型,金属罩密封产品优于塑封产品)继电器产品。因为只有全密封继电器才具有优良的长期耐受恶劣环境性能、良好的电接触稳定、可靠性和稳定的切换负载能力(不受外部气候环境影响)。
                  2.1  温度对继电器的影响
                  继电器是怕热元件,高温可加速继电器内部塑料及绝缘材料的老化、触点氧化腐蚀、熄弧困难、电参数变坏,使可靠性降低,所以,要求设计时使继电器不要靠近发热元件,并有良好的通风散热条件。
                  继电器虽然是怕热元件,但对过低温度(如军用航空条件-55℃)也不能忽视。低温可使触点冷粘作用加剧,触点表面起露,衔铁表面产生冰膜,使触点不能正常转换,尤其是小功率继电器更为严重。试验证明,对于有些按部标生产的国产小功率继电器,虽然使用条件规定低温为-55℃,但实际上在此条件下继电器根本无法进行正常转换,建议在选择时要留有充分的余量,对于重要的军用电子整机,建议选用国军标产品。
                  2.2  低气压对继电器的影响
                  在低气压条件下,继电器散热条件变坏,线圈温度升高,使继电器给定的吸合、释放参数发生变化,影响继电器的正常工作;低气压还可使继电器绝缘电阻降低、触点熄弧困难,容易使触点烧熔,影响继电器的可靠性。对于使用环境较恶劣的条件,建议采用整机密封的办法。
                  2.3  机械应力对继电器的影响
                  主要指振动、冲击、碰撞等应力作用要素。对控制系统主要考虑的是抗地震应力作用、抗机械应力作用能力,宜选用采用平衡衔铁机构的小型中间继电器。电磁继电器的**均为悬梁结构,固有频率低,振动和冲击可引起谐振,导致继电器触点压力下降,容易产生瞬间断开或触点出现抖动,严重时可造成结构损坏,可动的衔铁部分可产生误动作,影响继电器的可靠性。建议在设计中尽量采取防振措施以防产生谐振。
                  2.4  绝缘耐压
                  非密封或密封继电器的引出端外露绝缘子长期受尘埃、水气污染,导致其绝缘强度下降,在切换感性负载时的过电压作用下,引起绝缘击穿失效。针对继电器绝缘固有特性,在选型时必须依据继电器的以下技术特性:
                  2.4.1  足够的爬电距离:一般要求>3mm(工作AC 220V);
                  2.4.2  足够的绝缘强度:无电气联系的导体之间>AC 2000V(工作AC 220V),同组触点之间>AC 1000V;
                  2.4.3  足够的负载能力:DC 220V感性;5~40ms,>50W;
                  2.4.4  长期耐受气候应力的能力:线圈防霉断、绝缘抗电水平长期稳定可靠。
                  3  激励线圈输入参量
                  主要是指过激励、欠激励、低压激励与高压(220V)输出隔离、温度变化影响、远距离有线激励、电磁干扰等要素,这些都是确保系统可靠运行必须认真考虑的因素。按继电器所规定的激励量激励是确保它可靠、稳定工作的必要条件。
                  继电器的技术条件一般对线圈的电压都给出工作电压、吸合电压、释放电压。要保证继电器的正常工作,在电路连接时,一定要保证在任何情况下都要使给定的三个电压满足技术条件规定的数值。否则,继电器无法正常转换。
                  3.1  关于串联供电激励方式
                  不少用户采用串联分压供电方式给继电器线圈施加激励量,驱动继电器动作。这种激励方式一般是不可取的。因继电器的吸合时间主要取决于回路的时间常数T,且T=L/R。当串联电阻R1给继电器线圈供电时,R=R1+R2,则有L/R2>L/(R1+R2);显然,串联R1后使T减小,继电器的吸合时间加速。特别是当R1>>R2,电压很高时,吸合时间将大大减少。运动部件的过快动作,将加大运动部件接合时的冲击、碰撞、反弹,从而增大触点回跳,加速机械磨损,降低触点的负载能力与机械寿命。因此,串联供电激励方式改变了继电器原设计所规定的正常工作状态,一般是不可取的。当触点回跳、机械磨损对实际使用不构成利害关系,且特别需要加快动作速度时,才可以采用提高激励电压或串联电阻供电激励方式。
                  3.2  继电器线圈串联的使用
                  采用多个继电器线圈串联后,再用DC 220V电源去激励,这种激励方式必须谨慎采用。
                  3.2.1 
                  对相同类型、相同规格继电器产品而言,由于各线圈的阻抗(含直流电阻与瞬时感抗)大体相同,差值较小,故采用串联分压激励方式使用问题不大。实践证明也是可行的。
                  3.2.2 
                  对不同类型或不同规格的继电器产品言之,由于不同继电器线圈的阻抗不一致,且差值随瞬时感抗的不同而相差很大,故串联激励瞬间,各继电器线圈上所分得的激励电压(由瞬时分压比决定)差值必然很大,势必出现有的继电器处于过压激励状态,有的则处于欠压激励状态,各继电器触点的开关时序与速度将会发生本质性变化,必然会出现动作先、后、快、慢颠倒,开关不可靠等情况。因此,不同类型、不同规格的继电器线圈不宜采用串联分压激励方式。
                  3.3  关于继电器线圈并联使用
                  在复杂的控制回路中,将2只(或多只)不同类型的继电器(如接触器K1、小型灵敏继电器K2)线圈并联使用的情况时有发生,在这种情况下,有可能产生Kl延迟释放、触点断弧能力下降,K2被反向重复激励、触点误动作等实际问题。在直流控制回路中,K1,K2线圈所贮存的磁能可能相差很大。当线圈电源失电后,K1(磁能大)的贮能将通过K2(磁能小)的线圈泄放,产生反向电流。从而导致K1释放时间延长,触点断弧速度迟缓,触点间燃弧时间延长;K2的释放时间短,随后被反向泄放电流所激励,甚至释放后瞬间重复吸合,产生误动作故障。在实际应用时应注意避免上述因疏于研究而导致的不可靠现象。
                  4  触点输出(换接电路)参量
                  主要是指触点负载性质,如灯负载,容性负载,电机负载,电感器、接触器线圈、扼流圈负载,阻性负载等;触点负载量值(开路电压量值、闭路电流量值),如低电平负载、干电路负载、小电流负载、大电流负载等。
                  根据被继电器驱动设备的负载性质、负载容量选用合适的继电器,是继电器可靠工作的基本条件,继电器的失效或可靠不可靠,主要指触点能否完成所规定的切换电路功能。如切换的实际负载容量大于所选用继电器规定的切换负载容量,继电器是不可能可靠工作的。
                  44.1  关于触点的负载
                  继电器触点故障是继电器失效的核心所在,当触点实际切换的负载电压小于起弧电压,电流小于lA时,特别是在中等电流(试验标准为DC
                  28V,0.1A)、低电平(10~30mV,l0~50μA)或干电路(指继电器触点先闭合,后接通毫伏微安级负载)条件下,触点实际工作时的失效机理、失效方式与实际切换额定功率负载全然不同。正是为了满足不同负载的不同要求,不同产品在设计、制造工艺、检测、试验要求也各不相同。因此,在实际选用继电器产品时,一定不能错误地认为:继电器的触点开关适用于从零到规定额定值的所有负载,更不能认为通过触点的实际负载比产品标准所规定的额定负载越小越可靠。例如能可靠切换220V,10A负载的触点,并不一定能可靠地切换10mA的实际负载,更不可用它去换接低电平或干电路负载。因此,对中等电流、低电平,干电路负载建议选用接触可靠性优良的金属罩全密封产品。
                  一般在可靠性设计中,降额设计是提高可靠性*有效的措施,对其它元器件来讲,如果不考虑其它的因素,如成本、体积等,降额越多,可靠性越高。但是,继电器与其它元器件有不同之处,并不是触点所加的负荷应力越小越可靠,这主要是由触点失效机理决定的。当触点电流使用到100毫安时,触点的电弧作用明显减弱,触点在高温条件下析出的含碳物质不能被电弧烧掉而沉积在触点表面,使触点接触电阻增大,影响接触可靠性。
                  当触点负荷使用在10毫安以下或50毫伏以下时,接触可靠性明显降低,因为这时电压无法击穿触点表面的膜电阻,将出现低电平失效。尤其在高温条件下,加速了触点的氧化,低电平失效表现得更为严重,所以把10毫安以上,50毫伏以下的负载称为低电平负载。
                  继电器的负荷应力虽然不能过小,但是,技术条件给出的负荷应力,是触点的较大额定值,是在任何情况下都不应该超过的参数。如果在使用中超过,轻者可造成寿命缩短,可靠性降低,重点可烧毁触点,造成失效。
                  这主要是继电器触点在大负荷下工作时所产生的飞弧导致触点被烧熔,在触点表面形成凹凸不平,形成机械咬合而无法分开,触点负荷越大,飞弧越大,触点被烧毁的可能性越大。从以上分析可知,适当的降额仍是提高继电器可靠性的有效措施。
                  触点负荷的正确使用,在一般情况下,负荷应设计在100毫安以上,技术指标给定的额定负荷值的百分之八十以下比较可靠。值得注意的是,继电器触点的额定负荷值是在阻性负载条件下给定的,当使用的负载是感性、容性及灯载时,可产生10倍的浪涌电流,所以如果不是阻性负载,使用时一般应按表1所示进行换算。
                           表1  负载换算
                        阻性负载电流      感性负载电流      电机负载电流    灯泡负载电流
                        100%                   30%                    20%              15%

                  4.2  关于电容负载
                  继电器接点作为切换容性负载回路的自保接点,易引起接点粘接而不能释放,其原因是由于电容器的充放电过程,类似于电容储能点焊过程。进一步分析试验表明:给22μF电容器充足DC
                  220V电压后,再激励继电器使其直接短路放电,10次之内,纯银触点即可产生焊接不放现象。从理论上考虑,电容器的放电电流为:
                  i=(U.T)eT
                  式中 U—为电容器两端电压;
                       R—为放电回路电阻;
                       T—为时间常数。
                  由于R约等于触点的接触电阻,趋近于零,在开始放电瞬间;i=U/R;i非常大,也就是说:电容器所储存的全部能量,在很短时间内全部通过触点泄放,从而直接导致点焊焊接失效,因此,长的传输线、消除电磁干扰用的滤波器、电源等都是强容性的。用于此类负载的继电器应结合设备特性选用。
                  4.3  关于继电器触点的并联使用
                  4.3.1 
                  不能用触点并联的方式提高功率,有时,用一组触点不能满足电路的功率要求时,有时采用两组或多组触点并联的方式来保证电路的功率要求。但是,由于继电器触点在动作时存在小的时间差(一般两组触点动作时间相差0.1毫秒~0.2毫秒)。由此可知,先接通的一组触点将承受全部功率,处在超应力条件下进行切换,很容易被大电流形成的电弧烧毁而失效,所以,要求在使用继电器时,不能用触点并联的方式提高功率。
                  4.3.2 
                  一般不采用触点并关的方式提高可靠性:在可靠性设计中,冗余设计可以提高可靠性。有些设计师利用冗余设计的原理,主观上想利用继电器触点并联的方式提高控制电路的可靠性。但是,一般控制电路的作用是利用触眯相互转换作用达到对电路的控制。如果采用触点并联的方式,接通的可靠性虽然提高了,但断开的可靠性却降低了,所以对一般用继电器控制的转换电路,采用并联方式提高可靠性是不可取的。只有对特殊要求,例如一次接通或断开就能完成规定功能的电路(如发射卫星,只要求继电器触点把火箭的点火系统接通就完成任务),采用触点并联的方式可提高可靠性。
                  4.4  继电器触点正确连接
                  4.4.1 
                  应尽量多用动合触点、少用动断触点;在对继电器触点连接时,应尽量多采用动合触点的连接方式,少用动断触点,其原因是动合触点比动断触点在动作时的触点回跳次数少。众所周知,触点抖动对电路产生不佳影响,而且缩短了触点的寿命。
                  4.4.2 
                  对转换触点极性的正确连接;转换触点极性的连接对触点寿命的影响极大,正确的连接应是可动触点接电源阴极,固定触点接电源阳极。其原因是通过对两种不同连接的测试表明,在相同负载条件下,按上述正确的极性连接与相反的极性连接,其触点的燃弧时间要减短二分之一,因而提高了触点寿命 

以上对继电器的选择和应用分析,希望能帮到各位电气控制朋友!


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