Как уменьшить искрение контактов

Схемы импульсного включения и отключения реле с помощью конденсаторов

Схемы импульсного включения и отключения реле за счет токов заряда или разряда конденсаторов получили распространение на автоматических линиях в машиностроении.

В схеме, приведенной на рис. 1, а, реле К срабатывает при замыкании контакта командного реле KQ за счет тока заряда конденсатора С и возвращается в исходное состояние после окончания заряда. Длительность включенного состояния реле определяется емкостью конденсатора и питающим напряжением.

Резистор R служит для разряда конденсатора С после размыкания контакта KQ. Резистор R выбирается таким, чтобы ток через него был меньше тока удержания реле К. Однако увеличение сопротивления приводит к увеличению времени разряда конденсатора, т. е. длительности паузы между двумя импульсными включениями реле К. Этого недостатка лишена схема рис. 1, б, в которой в цепь резистора с небольшим сопротивлением R введен размыкающий контакт реле KQ.

Для уменьшения паузы можно также использовать схему рис. 1, в, в которой разряд конденсатора С происходит по цепи R2—R1—VD. Однако в этой схеме при небольшом сопротивлении резистора R2 на нем выделяется значительная мощность.

Более совершенной является схема рис. 1, г с вспомогательным реле К2. При замыкании контакта KQ срабатывает основное реле К1, а затем — реле К2, отключающее резистор R в цепи катушки К1. Последнее удерживается некоторое время за счет тока заряда конденсатора С. Реле К2 возвращается при размыкании контакта KQ.

Рис. 1. Схемы импульсного включения реле токами заряда конденсатора

Описанные схемы чувствительны к резким колебаниям питающего напряжения, которые могут приводить к ложным срабатываниям реле. В сетях с нестабильным напряжением рекомендуются схемы импульсного включения реле током разряда конденсатора (рис. 2, а—д).

В схеме рис. 2, а при подаче напряжения питания заряжается конденсатор С. При срабатывании командного реле KQ конденсатор разряжается на обмотку реле К, которое импульсно включается. Резистор R ограничивает зарядный ток конденсатора.

Рис. 2. Схемы импульсного включения и отключения реле токами разряда конденсатора

В схеме рис. 2, б конденсатор С заряжается при срабатывании реле KQ, а разряжается на обмотку выходного реле К после отключения KQ.

В схеме рис. 2, в после включения первого командного реле KQ1 реле К срабатывает и самоблокируется. Когда срабатывает второе командное реле KQ2, реле К возвращается с выдержкой времени, определяемой временем разряда конденсатора С.

Для импульсного включения выходного реле К при отключении командного реле KQ применяют схему рис. 2,г. При срабатывании KQ конденсатор С заряжается по цепи VD1 — R — KQ — С — VD2. Когда реле KQ возвращается, конденсатор разряжается на обмотку реле К, которое импульсно срабатывает.

В схеме рис. 2, д реле К импульсно срабатывает при срабатывании и возврате реле KQ за счет тока заряда и разряда конденсатора С соответственно.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Искрение контактов реле и пускателей — причины возникновения и способы устранения

Наверняка многие сталкивались с проблемой искрения контактов электромагнитных реле или пускателей. Кто-то данную проблему для себя давно решил. Некоторые просо меняют коммутирующее устройство при появлении первых тревожных симптомов (таких как запах гари). А бывает и такое, что даже заменой коммутатора избавиться от пагубного явления не удается.

Вообще искра при коммутации — это нормальное явление, но лишь в том случае, если искрение проявляет себя незначительно и незаметно. На самом деле практически любое механическое устройство коммутации электрических цепей со временем начинает искрить сильнее, — на контактах образуется нагар, и в конце концов возрастающее переходное сопротивление ощутимо нарушает работу всей коммутируемой цепи. В этом и заключается главная проблема.

Из-за чего возникает искрение

Причинами искрения контактов могут выступать различные факторы. Быть может коммутируемый ток сильно превышает допустимую для данных контактов величину. Может быть со временем ослабился прижимной механизм (пружина, пластина), усилился дребезг контактов, либо характер коммутируемой нагрузки неизбежно вызывает образование дуги.

Так или иначе, лучше всего зарубить тенденции к пагубному искрению на корню, то есть еще на этапе проектирования цепи принять некоторые защитные меры. Однако для начала давайте обратим внимание на физику этого вредного процесса.

Известно, что при наличии между проводниками разности потенциалов, в определенных условиях, на некотором расстоянии между ними легко может произойти ионизация в воздушном промежутке и образоваться искра или дуга.

Это явление успешно и давно используют например в сварке, но контакты реле или пускателя — отнюдь не сварочный аппарат, а скорее наоборот — они призваны надежно разомкнуть (или замкнуть) цепь, по которой протекает (или будет протекать) ток.

Если же контакты коммутатора превращаются в сварочный аппарат — это ведет к потерям энергии и снижению качества работы нагрузки, а в некоторых случаях может послужить причиной пожара. Поэтому факторы риска необходимо устранять.

Чтобы искра, а тем более дуга, не образовались, нужно создать такие условия, чтобы не допустить ионизации в воздушном промежутке между контактами.

Справедливости ради отметим, что даже в норме контакты реле и пускателей неизбежно имеют некоторый небольшой дребезг. Это значит, что, например во время замыкания, контакты в течение доли секунды то сближаются, то вновь расходятся на очень маленькое расстояние, но в конце концов замыкаются. В ходе этого процесса образуются крайне слабые искры, не причиняющие вреда.

Гораздо более опасно индуктивное влияние в ходе коммутации таких нагрузок как электродвигатели, трансформаторы, и т. д., ибо они имеют большую индуктивность. А из курса физики нам известно, что ЭДС самоиндукции тем выше, чем больше индуктивность коммутируемой нагрузки, и чем выше скорость изменения тока, в нашем случае — скорость размыкания или замыкания цепи.

Так вот, поскольку контакты размыкаются резко, а ток в цепи, обладающей индуктивностью, мгновенно прекратиться не может (он поддерживается уменьшающимся магнитным полем), на выводах такой нагрузки образуется высокая ЭДС самоиндукции, пропорциональная индуктивности и обратно пропорциональная скорости размыкания.

Кстати, даже просто проводка обладает индуктивностью, и способна вызвать немалую ЭДС самоиндукции на контактах, особенно если провода достаточно длинные, хотя коммутируемая нагрузка может иметь и чисто активный характер.

Итак, причинами искрения сверх всякой меры контактов электромагнитных пускателей и реле могут оказаться:

• ослабленный прижимной механизм и связанный с этим продолжительный дребезг плюс образованный нагар;
• влияние индуктивности коммутируемой нагрузки;
• превышение максимально допустимого тока коммутатора.

Как устранить искрение

Если причина чрезмерного искрения контактов известна, можно попытаться ее устранить. В случае если контакты покрыты сажей, их нужно почистить. Это делается при помощи растворителя и мельчайшего абразива. Контакты должны плотно прижиматься друг к другу без зазора, поэтому в ходе чистки нельзя скрести их сильно. Если ослаблен прижимной механизм, можно попробовать его восстановить, подогнув пластину.

Если же искрение вызвано влиянием индуктивности коммутируемой нагрузки при размыкании контактов, то в цепях постоянного тока обычно достаточно установки диода параллельно коммутируемой нагрузке (анодом на массу, катодом в сторону плюса источника питания). Диод должен быть быстродействующим и рассчитанным на ток, при котором нагрузка контактами отключается.

А для цепей переменного тока будет полезна снабберная RC-цепь, включаемая параллельно контактам реле или пускателя. Будучи установлена параллельно контактам, снабберная RC-цепь рассеет энергию искры или дуги (условно) на своем резисторе.

Емкость конденсатора такого искрогасительного снаббера для цепей переменного тока частотой 50 Гц находится по формуле C = I 2 /10. Номинал резистора вычисляется так: R = U/(10*I*(1+50/U)), где U – напряжение сети, I – действующий ток.

• Проведение электроизмерительных работ в электроустановках учебных заведений
• Как обжать витую пару
• Пять бесплатных программ, которые облегчат жизнь проектировщику

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Делимся опытом

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика

Поделитесь этой статьей с друзьями:

Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:

Искрение контактов: причины возникновения и способы устранения

Практически все электромеханические коммутирующие устройства со временем начинают сильно искрить. Как вы уже догадались – это искрят контакты, замыкающие и размыкающие различные цепи. Строго говоря, искрение обычных контактов происходит всегда, но оно незначительно. Проблемы начинаются с того момента, когда искрообразование нарушает нормальный режим работы электроприбора, а в области рабочего пространства коммутационного узла ощущается запах озона и гари.

Основные причины искрения

Чтобы ответить на вопрос, почему и при каких обстоятельствах возникает электрическая искра, выясним, какие процессы лежат в основе искрообразования. Собственно говоря, их немного – всего два:

1. Дребезг контактов.
2. Влияние индуктивных цепей при их коммутации.

Существует ещё несколько факторов усиливающих процесс искрения. Это износ, превышение значений токов коммутации, ослабление пружин или уменьшение упругости пластин и некоторые другие.

Для лучшего понимания причин искрения рассмотрим более детально физику процесса. Начнём с понятия искры.

Из школьного курса физики известно, что между проводниками, на которых образовались электрические заряды, происходит ионизация воздушного пространства. По нему в определённый момент протекает ток. Если поддерживать разницу потенциалов на определённом уровне, то образуется электрическая дуга, с огромным тепловым излучением. Примером может служить работа сварочного аппарата.

Известно, что заданным током электрическую дугу можно зажечь лишь на определённом расстоянии между электродами. Чем больше разница потенциалов, тем больший промежуток, на котором происходит образование дугового электротока.

Искра – это частный случай кратковременной электрической дуги. Для этого явления справедливы утверждения приведённые выше. Отсюда вывод – для недопущения процесса искрообразования необходимо устранить причины, вызывающие зажигание электрической дуги. В частности, при разомкнутом или замкнутом положении контактов искрение прекращается по причине исчезновения условий для существования тока в ионизированном пространстве.

А теперь остановимся вкратце на процессах, вызывающих искрение в коммутационных устройствах.

Дребезг контактов

Когда катушка реле замыкает электрическую цепь или разрывает контакт, он под действием упругих сил несколько раз отскакивает. В определённые моменты расстояние между контактами оказывается настолько маленькое, что создаются условия для электрического пробоя. Поскольку процесс дребезга длится лишь доли секунды, то образуется именно искра, которая исчезает в положении замкнутого контакта. Искрение прекращается также в том случае, когда цепи полностью разомкнуты.

Влияние индуктивных цепей

При коммутации электродвигателей и различных соленоидов на выводах индуктивной нагрузки происходит образование ЭДС самоиндукции: E = -L*di/dt.

Из формулы видно, что ЭДС пропорциональна скорости изменения силы тока. Поэтому, при мгновенном расхождении контактов её величина резко возрастает. Кроме того, на ЭДС самоиндукции влияет индуктивность коммутируемого устройства. В частности, такой принцип коммутации использовался в старых моделях автомобилей. Контакты прерывателя с огромной скоростью разрывали цепь катушки индуктивности, в результате чего на электродах свечей зажигания напряжение достигало десятки киловольт.

В нашем случае напряжение разрыва, конечно же, значительно меньше, однако его вполне достаточно для образования искры. Заметим, что определённой индуктивностью обладают даже обычные провода. Поэтому искрение возможно при отключении нагрузки, находящейся в конце длинных линейных цепей.

Прочие причины искрения

Выше упоминалось о том, что усилить искрение могут различные факторы, связанные с эксплуатацией коммутационных устройств. В данном разделе мы рассмотрим, что происходит под действием некоторых факторов:

1. При плохом контакте увеличивается продолжительность дребезга, что является причиной усиления искрения.
2. Если ток коммутации сильно отличается от номинального (в большую сторону) то, во-первых, греются контакты, а во-вторых – искра получается более мощной и разрушительной.
3. Когда ослабление упругости пластин коммутационной системы не обеспечивает надёжного замыкания, то это ведёт к подгоранию контактов, образованию налёта и сажи, увеличивающих процесс искрообразования.

Заметим, что в электродвигателях постоянного тока искрят щетки. В оптимальном режиме работы мотора искрение незначительное. Но при перегрузках или в случаях междувитковых замыканий происходит значительное искрообразование, разрушающее коллектор. Похожее явление происходит при плохом прижимании щёток или в результате засорения промежутков между пластинами коллектора.

На рисунке 1 изображен якорь с подгоревшим коллектором.

Искрение наблюдается, когда вставляют в розетку вилки шнуров, во время подключения мощных электроприборов. Явление усиливается, если штырьки штепселя не соответствуют гнезду розетки.

Последствия, к которым приводят плохая коммутация в розетке, показаны на рис.2.

Последствия

Искрение контактов не проходит бесследно. Возникают побочные следствия, сокращающие срок службы коммутирующих устройств:

• выгорают контакты;
• ослабляются упругие пластины, контактной группы;
• перегреваются реле и розетки;
• при наличии мощного тока отключения искра может стать причиной пожара, вызвать ожоги у обслуживающего персонала.

Пригоревшие контакты могут залипать, вследствие чего нарушается работа электрооборудования. Если такая неприятность случится в защитных коммутирующих устройствах, это может привести к непредсказуемым ситуациям.

Способы устранения

Выяснив причины искрения, вы можете выбрать действенный способ устранения неполадки. Например, если плохо соединяются контакты, это может быть признаком их засорения сажей. Необходимо удалить весь нагар, используя растворители. Обычно протирают контакты ваткой, пропитанной спиртом. В качестве растворителя подойдёт обычная водка или одеколон.

Изначально поверхность контактов делают очень гладкой для лучшего прижатия их друг к другу. Но в процессе эксплуатации искрение разрушает напыление, вследствие чего появляются шероховатости. Для восстановления работоспособности достаточно отшлифовать поверхность нулёвкой. Если покрытие серебряное – лучше использовать деревянную пластинку, а когда контакт сгорел, то он подлежит замене.

Возможна ситуация, когда искрит замкнутый контакт. Причиной может быть сильное его выгорание или потеря упругости пластины, которая разрывает контакт. Можно попытаться временно восстановить работоспособность реле путём шлифования или попытаться восстановить изгиб пластин.

Мы рассмотрели примеры устранения последствий искрения. Но существует ряд эффективных способов борьбы с причиной этого явления. Остановимся на некоторых из них:

1. Применение неокисляющихся металлов – серебра и различных сплавов.
2. Покрытие контактов ртутью (при условии, что они находятся в закрытой камере, например, контакты манометра).
3. Использование схем для шунтирования.
4. Встраивание в конструкции коммутирующих аппаратов искрогасительных RC цепей.

Метод с применением схем для подавления искрения довольно эффективен и не дорогой. При желании каждый, хоть немного разбирающийся в электротехнике человек, может самостоятельно изготовить искрогасящую цепь.

Для гашения искрообразования в индуктивных цепях постоянного тока достаточно установить диод параллельно нагрузке. При этом катод диода необходимо подключить к положительному, а анод соединить с отрицательным полюсом.

На рисунке 3 изображены схемы, объясняющие действие шунтирующего диода. Обратите внимание на то, как индукционный ток рассеивается на диоде, не попадая на коммутационное реле (позиция С).

Для переменного тока устанавливают шунтирующую искрогасительную RC цепь. Накопленная энергия рассеивается на переходном сопротивлении, а не на контактах. Ёмкость шунтирующего конденсатора можно вычислить по формуле: C_ш = I 2 /10, здесь I — рабочий ток нагрузки, а 10 – условная постоянная, позволяющая производить расчёты для простых схем RC цепей.

Сопротивление резистора находим [ 1 ]: Rш = E₀ / (10*I*(1 + 50/E₀)), где E₀ – ЭДС (напряжение) источника питания, I – сила рабочего тока нагрузки, цифра 50 –стандартная частота переменного ток в электросети. Также пользуются для подбора параметров номограммой ниже.

По известным значениям напряжения источника питания U и тока нагрузки I находят две точки на номограмме, после чего между точками проводится прямая линия, показывающая искомое значение сопротивления резистора R. Значение емкости С отсчитывается по шкале рядом со шкалой тока I. Номограмма дает разработчику достаточно точные данные, при практической реализации схемы необходимо будет подобрать ближайшие стандартные значения для резистора и конденсатора RC-цепи.

Сама типовая схема искрогасительной RC цепи изображена на рисунке 5.

Защита контактов от искрения – лучший способ продлить срок службы коммутирующего устройства. Применив несложную схему можно успешно решить задачу, связанную с искрением.

Искрогасящие цепи

Влияние дуговых разрядов на стабильность работы контактов реле столь велико, что для инженера знание основ расчета и применения защитных схем является просто обязательным условием.

Искрогасящие цепи

Для уменьшения повреждения контактов дуговыми разрядами применяются:

1. специальные реле с большими контактными промежутками (до 10 мм и более) и высокой скоростью выключения, обеспечиваемой сильными контактными пружинами;
2. магнитный обдув контактов, реализуемый установкой постоянного магнита или электромагнита в плоскости контактного промежутка. Магнитное поле препятствует появлению и развитию дуги и эффективно оберегает контакты от обгорания;
3. искрогасящие цепи, устанавливаемые параллельно контактам реле или параллельно нагрузке.

Первые два способа гарантируют высокую надежность за счет конструктивных мер при разработке реле. Внешних элементов защиты контактов при этом обычно не требуется, но специальные реле и магнитный обдув контактов достаточно экзотичны, дороги и отличаются большими размерами и солидной мощностью катушки (у реле с большим расстоянием между контактами сильные контактные пружины).

Промышленная электротехника ориентируется на недорогие стандартные реле, поэтому применение искрогасящих цепей является наиболее распространенным способом гашения дуговых разрядов на контактах.

Рис. 1. Эффективная защита существенно продлевает жизнь контактов:

Теоретически для гашения дуги можно использовать многие физические принципы, но на практике находят применение следующие эффективные и экономичные схемы:

1. RС-цепи;
2. обратные диоды;
3. варисторы;
4. комбинированные схемы, например, варистор + RС-цепь.

Защитные цепи можно включать:

1. параллельно индуктивной нагрузке;
2. параллельно контактам реле;
3. параллельно контактам и нагрузке одновременно.

На рис. 1 показано типовое включение защитных схем при работе на постоянном токе.

Диодная схема (только для цепей постоянного тока)

Самая дешевая и широко применяемая схема для подавления напряжения самоиндукции. Кремниевый диод включается параллельно индуктивной нагрузке, при замыкании контактов и в установившемся режиме не оказывает никакого воздействия на работу схемы. При отключении нагрузки возникает напряжение самоиндукции, обратное по полярности рабочему напряжению, диод открывается и шунтирует индуктивную нагрузку.

Не следует считать, что диод ограничивает обратное напряжение на уровне прямого падения напряжения, равного 0,7-1 В. Вследствие конечного внутреннего сопротивления падение напряжения на диоде зависит от тока через диод. Мощные индуктивные нагрузки способны развивать импульсные токи самоиндукции до десятков ампер, что для мощных кремниевых диодов соответствует падению напряжения около 10-20 В. Диоды исключительно эффективно устраняют дуговые разряды и предохраняют контакты реле от обгорания лучше, чем любые другие схемы искрогашения.

Правила выбора обратного диода:

1. рабочий ток и обратное напряжение диода должны быть сравнимы с номинальным напряжением и током нагрузки. Для нагрузок с рабочим напряжением до 250 ѴDС и рабочим током до 5 А вполне подходит распространенный кремниевый диод 1N4007 с обратным напряжением 1000 ѴDС и максимальным импульсным током до 20 А;
2. выводы диода должны быть как можно короче;
3. диод следует припаивать (привинчивать) непосредственно к индуктивной нагрузке, без длинных соединительных проводов – это улучшает ЭМС при процессах коммутации.

Достоинства диодной схемы:

1. дешевизна и надежность;
2. простой расчет;
3. предельно достижимая эффективность.

Недостатки диодной схемы:

1. диоды увеличивают время выключения индуктивных нагрузок в 5-10 раз, что очень нежелательно для нагрузок типа реле или контакторов (контакты размыкаются медленнее, что способствует их обгоранию), при этом диодная защита работает только в цепях постоянного тока.

Если последовательно с диодом включить ограничительное сопротивление, то влияние диодов на время выключения уменьшается, но дополнительные резисторы обуславливают более высокие обратные напряжения, чем только защитные диоды (на резисторе падает напряжение согласно закону Ома).

Стабилитроны (для цепей переменного и постоянного тока)

Вместо диода параллельно нагрузке устанавливается стабилитрон, а для цепей переменного тока два встречно-последовательно включенных стабилитрона. В такой схеме обратное напряжение ограничивается стабилитроном до напряжения стабилизации, что несколько снижает влияние искрозащитной цепи на время выключения нагрузки.

Учитывая внутреннее сопротивление стабилитрона, обратное напряжение на мощных индуктивных нагрузках будет больше напряжения стабилизации на величину падения напряжения на дифференциальном сопротивлении стабилитрона.

Выбор стабилитрона для схемы защиты:

1. выбирается желаемое напряжение ограничения;
2. выбирается необходимая мощность стабилитрона с учетом пикового тока, развиваемого нагрузкой при возникновении напряжения самоиндукции;
3. проверяется истинное напряжение ограничения – для этого желателен эксперимент, а при измерении напряжения удобно пользоваться осциллографом.

1. меньше задержка выключения, чем в диодной схеме;
2. стабилитроны можно применять в цепях любой полярности;
3. стабилитроны для маломощных нагрузок дешевы;
4. схема работает на переменном и постоянном токе.

1. меньше эффективность, чем в диодной схеме;
2. для мощных нагрузок требуются дорогие стабилитроны;
3. для очень мощных нагрузок схема со стабилитронами технически нереализуема.

Варисторная схема (для цепей переменного и постоянного тока)

Металл-оксидный варистор имеет вольт-амперную характеристику, похожую на биполярный стабилитрон. До момента приложения к выводам напряжения ограничения варистор практически отключен от схемы и характеризуется только микроамперными токами утечки и внутренней емкостью на уровне 150-1000 пФ. При увеличении напряжения варистор начинает плавно открываться, шунтируя своим внутренним сопротивлением индуктивную нагрузку.

При очень небольших размерах варисторы способны отводить большие импульсные токи: для варистора диаметром 7 мм разрядный ток может быть равен 500-1000 А (длительность импульса менее 100 мкс).

Расчет и монтаж варисторной защиты:

1. задаются безопасным напряжением ограничения на индуктивной
   нагрузке;
2. рассчитывается или измеряется ток, отдаваемый индуктивной нагрузкой при самоиндукции, для определения требуемого тока варистора;
3. по каталогу подбирается варистор на требуемое напряжение ограничения, при необходимости варисторы можно устанавливать последовательно для подбора нужного напряжения;
4. необходимо проверить: варистор должен быть закрыт во всем диапазоне рабочих напряжений на нагрузке (ток утечки менее 10-50 мкА);
5. варистор необходимо монтировать на нагрузке по правилам, указанным для диодной защиты.

Достоинства варисторной защиты:

1. варисторы работают в цепях переменного и постоянного тока;
2. нормированное напряжение ограничения;
3. незначительное влияние на задержку выключения;
4. варисторы дешевы;
5. варисторы идеально дополняют защитные RС-цепи при работе с высокими напряжениями на нагрузке.

Недостаток варисторной защиты:

1. при применении только варисторов защита контактов реле от электрической дуги существенно хуже, чем в диодных цепях.

RС-цепи (для постоянного и переменного тока)

В отличие от диодных и варисторных схем RС-цепи можно устанавливать как параллельно нагрузке, так и параллельно контактам реле. В некоторых случаях нагрузка физически недоступна для монтажа на ней искрогасящих элементов, и тогда единственным способом защиты контактов остается шунтирование контактов RС-цепями.

В основе принципа действия RС-цепи лежит тот факт, что напряжение на конденсаторе не может изменяться мгновенно. Напряжение самоиндукции носит импульсный характер, причем фронт импульса для типичных электротехнических устройств имеет длительность на уровне 1 мкс. При приложении такого импульса к RС-цепи напряжение на конденсаторе начинает возрастать не мгновенно, а с постоянной времени, определяемой значениями R и С.

Если считать внутреннее сопротивление источника питания равным нулю, то подключение RС-цепи параллельно нагрузке эквивалентно включению RС-цепи параллельно контактам реле. В этом смысле принципиального различия в установке элементов искрогасящей цепочки для разных схем включения нет.

RС-цепь параллельно контактам реле

Конденсатор (см. рис. 2) при размыкании контактов реле начинает заряжаться. Если время заряда конденсатора до напряжения зажигания дуги на контактах выбирается большим, чем время расхождения контактов на расстояние, при котором дуга не может возникнуть, то контакты полностью защищены от появления дуги. Этот случай идеален и на практике маловероятен. В реальных случаях RС-цепь помогает при размыкании цепи поддерживать на контактах реле низкое напряжение и тем самым ослаблять влияние дуги.

Рис. 2. защитные элементы можно включить как параллельно контактам, так и параллельно нагрузке:

При включении только одного конденсатора параллельно контактам реле схема защиты тоже в принципе работает, но разряд конденсатора через контакты реле при их замыкании приводит к броску тока через контакты, что нежелательно. RС-цепь в этом смысле оптимизирует все переходные процессы как при замыкании, так и при размыкании контактов.

Проще всего пользоваться универсальной номограммой, показанной на рис. 3. По известным напряжению источника питания U и току нагрузки I находят две точки на номограмме, после чего между точками проводится прямая линия, показывающая искомое значение сопротивления R. Значение емкости С отсчитывается по шкале рядом со шкалой тока I. Номограмма дает разработчику достаточно точные данные, при практической реализации схемы необходимо будет подобрать ближайшие стандартные значения для резистора и конденсатора RС-цепи.

Рис. 3. Самая удобная и точная номограмма для определения параметров защитной RС цепи (а этому графику уже более 50 лет!)

Выбор конденсатора и резистора RС-цепи

Конденсатор следует применять только с пленочным или бумажным диэлектриком, керамические конденсаторы для высоковольтных искрозащитных цепей непригодны. При выборе резистора необходимо помнить, что на нем при переходном процессе рассеивается большая мощность. Можно рекомендовать применять для RС-цепей резисторы мощностью 1-2 Вт, причем обязательно следует проверить, рассчитан ли резистор на высокое импульсное напряжение самоиндукции. Лучше всего применять проволочные резисторы, но хорошо работают и металлопленочные или углеродные с заливкой керамическими компаундами.

1. хорошее гашение дуги;
2. отсутствие влияния на время выключения индуктивной нагрузки.

Особенности RC-цепи: необходимость применения высококачественных конденсатора и резистора. В целом же применение RC-цепей всегда экономически оправдано.

При установке искрогасящей цепи параллельно контактам на переменном токе при разомкнутых контактах реле через нагрузку будет протекать ток утечки, определяемый импедансом RС-цепи. Если нагрузка не допускает протекания тока утечки или это нежелательно по схемотехническим соображениям и в целях безопасности персонала, то необходимо устанавливать RС-цепь параллельно нагрузке.

Комбинация RС-цепи и диодной схемы

Такая схема (иногда называемая DRС-цепью) предельна по своей эффективности и позволяет свести к нулю все нежелательные эффекты от воздействия электрической дуги на контакты реле.

1. электрический ресурс реле приближается к своему теоретическому пределу.

1. диод вызывает значительную задержку выключения индуктивной нагрузки.

Комбинация RС-цепи и варистора

Если вместо диода установить варистор, то схема по параметрам будет идентична обычной RС-искрогасящей цепи, но ограничение варистором величины напряжения самоиндукции на нагрузке позволяет применять менее высоковольтные и более дешевые конденсатор и резистор.

RС-цепь параллельно нагрузке

Применяется там, где нежелательна или невозможна установка RС-цепи параллельно контактам реле. Для расчета предлагаются следующие ориентировочные значения элементов:

1. С = 0,5-1 мкФ на 1 А тока нагрузки;
2. R = 0,5-1 Ом на 1 В напряжения на нагрузке;
3. R = 50-100% от сопротивления нагрузки.

После расчета номиналов R и С необходимо проверить возникающую при этом дополнительную нагрузку контактов реле при переходном процессе (заряде конденсатора), как это было описано выше.

Приведенные значения R и С не являются оптимальными. Если требуется максимально полная защита контактов и реализация максимального ресурса реле, то необходимо провести эксперимент и опытным путем подобрать резистор и конденсатор, наблюдая переходные процессы с помощью осциллографа.

Достоинства RC-цепи параллельно нагрузке:

1. хорошее подавление дуги;
2. нет токов утечки в нагрузку через разомкнутые контакты реле.

1. при токе нагрузки более 10 А большие значения емкости приводят к необходимости установки относительно дорогих и больших по габаритам конденсаторов;
2. для оптимизации схемы желательна экспериментальная проверка и подбор элементов.

На фотографиях показаны осциллограммы напряжения на индуктивной нагрузке в момент размыкания питания без шунтирования (рис. 4) и с установленной RСЕ цепью (рис. 5). Обе осциллограммы имеют вертикальный масштаб 100 вольт/деление.

Рис. 4. Правильно подобранная защитная RСЕ цепочка полностью устраняет переходный процесс

Рис. 5. Отключение индуктивной нагрузки вызывает очень сложный переходный процесс

Специального комментария здесь не требуется, эффект от установки искрогасящей цепи виден сразу. Бросается в глаза процесс генерации высокочастотной высоковольтной помехи в момент размыкания контактов.

Фотографии взяты из университетского отчета по оптимизации RС-цепей, установленных параллельно контактам реле. Автор отчета провел сложный математический анализ поведения индуктивной нагрузки с шунтом в виде RС-цепи, но в итоге рекомендации по расчету элементов были сведены к двум формулам:

С = І 2 /10

где С – емкость RС-цепи, мкФ; I – рабочий ток нагрузки, А;

где Е_о – напряжение на нагрузке; В, I – рабочий ток нагрузки, А; R – сопротивление RС-цепи, Ом.

Проверим расчет: рассчитать RС-цепь для индуктивной нагрузки с рабочим током I = 1 А и напряжением источника питания Е_о = 220 ѴAС.

Ответ: С = 0,1 мкФ, R = 20 Ом. Эти параметры отлично согласуются с номограммой, приведенной ранее.

В заключение познакомимся с таблицей из этого же отчета, где приведены практически измеренные напряжение и время задержки для различных искрогасящих цепей. В качестве индуктивной нагрузки служило электромагнитное реле с напряжением катушки 28 ѴDС/1 W, искрогасящая цепь устанавливалась параллельно катушке реле.

Шунт параллельно катушке реле	Пиковое напряжение выброса на катушке реле (% от рабочего напряжения)	Время выключения реле, мс (% от паспортного значения)
Без шунта	950 (3400 %)	1,5 (100 %)
Конденсатор 0,22 мкФ	120 (428 %)	1,55 (103 %)
Стабилитрон, рабочее напряжение 60 В	190 (678 %)	1,7 (113 %)
Диод + резистор 470 Ом	80 (286 %)	5,4 (360 %)
Варистор, напряжение ограничения 60 В	64 (229 %)	2,7 (280 %)

Индуктивные нагрузки и электромагнитная совместимость (ЭМС)

Требования ЭМС являются обязательным условием работы электротехнического оборудования и понимаются как:

1. способность оборудования нормально работать в условиях воздействия мощных электромагнитных помех;
2. свойство не создавать при работе электромагнитные помехи более предписанного стандартами уровня.

Реле малочувствительно к высокочастотным помехам, но присутствие мощных электромагнитных полей вблизи катушки реле влияет на напряжение включения и выключения реле. При установке реле рядом с трансформаторами, электромагнитами и электродвигателями обязательно требуется экспериментальная проверка правильности срабатывания и выключения реле. При установке большого количества реле вплотную на одной монтажной панели или на печатной плате также имеется взаимовлияние работы одного реле на напряжение включения и выключения остальных реле. В каталогах иногда даются указания на минимальное расстояние между однотипными реле, гарантирующие их нормальную работу. При отсутствии таких указаний можно пользоваться эмпирическим правилом, по которому расстояние между центрами катушек реле должно быть не менее 1,5 от величины их диаметра. При необходимости плотного монтажа реле на печатной плате требуется опытная проверка взаимовлияния реле.

Электромагнитное реле может создавать мощные помехи, особенно при работе с индуктивными нагрузками. Показанный на рис. 4 высокочастотный сигнал является мощной помехой, способной повлиять на нормальную работу чувствительного электронного оборудования, работающего рядом с реле частота помехи колеблется от 5 до 50 МГц, а мощность этой помехи составляет несколько сотен мВт, что совершенно недопустимо по современным нормам ЭМС. Искрогасящие цепи позволяют довести уровень помех от релейного оборудования до предписываемого стандартами безопасного уровня.

Применение реле в заземленных металлических корпусах положительно сказывается на ЭМС, но необходимо помнить, что при заземлении металлического корпуса у большинства реле снижается напряжение изоляции между контактами и катушкой.

Изоляция между контактами реле

Между разомкнутыми контактами реле имеется промежуток, зависящий от конструкции реле. Воздух в промежутке (или инертный газ для газонаполненных реле) выполняет роль изолятора. Предполагается, что изолирующие материалы корпуса и контактной группы реле характеризуются более высокими пробивными напряжениями, чем воздух. При отсутствии загрязнений между контактами рассмотрение изоляционных свойств контактных групп можно ограничить свойствами только воздушного зазора.

На рис. 6 (немного ниже в статье) показана зависимость пробивного напряжения от величины расстояния между контактами реле. В каталогах можно найти несколько вариантов значений предельного напряжения между контактами, а именно:

1. предельное значение постоянно приложенного к двум контактам напряжения;
2. импульсное значение напряжения изоляции (surge voltage);
3. предельное значение напряжения между контактами в течение определенного времени (обычно 1 минута, за это время ток утечки не должен превысить 1 или 5 мА при указанной величине напряжения).

Если речь идет об импульсном напряжении изоляции, то импульс представляет собой стандартный тестовый сигнал ІЕС-255-5 с временем нарастания до пикового значения 1,2 мкс и временем спада до 50% амплитуды 50 мкс.

Рис. 6. Чем контакты реле дальше друг от друга, тем пробивное напряжение выше: но при этом выше и надежность реле

Если разработчику необходимо реле с особыми требованиями к изоляции контактов, то получить информацию о соответствии этим требованиям можно либо у фирмы-производителя, либо путем проведения самостоятельного тестирования. В последнем случае необходимо помнить, что производитель реле не будет нести ответственности за полученные таким способом результаты измерений.

Материалы для контактов реле

От материала контактов зависят такие параметры самих контактов и реле в целом, как:

1. нагрузочная способность по току, то есть способность эффективного отвода тепла от точки контакта;
2. возможность коммутации индуктивных нагрузок;
3. переходное сопротивление контакта;
4. предельная температура окружающей среды при эксплуатации;
5. устойчивость материала контактов к миграции, особенно при коммутации индуктивных нагрузок на постоянном токе;
6. устойчивость материала контактов к испарению. Испаряющийся металл поддерживает развитие электрической дуги и ухудшает изоляцию при осаждении металла на изоляторы контактов и корпус реле;
7. устойчивость контактов к механическому износу;
8. эластичность контактов для поглощения кинетической энергии и предотвращения чрезмерного дребезга;
9. устойчивость металла контактов к воздействию корродирующих газов из окружающей среды.

Рис. 7. Каждый материал рассчитан на работу контактов в определенном диапазоне токов, но может с осторожностью применяться и для коммутации слабых сигналов

Некоторые полезные качества материалов не исключают друг друга, например, хорошие проводники тока всегда обладают высокой теплопроводностью. При этом хорошие проводники с низким удельным сопротивлением обычно слишком мягкие и легко поддаются износу.

Температура плавления выше у специальных контактных сплавов (например, AgNi или AgSnO), но такие материалы совсем не подходят для коммутации микротоков.

В итоге разработчик реле останавливается на определенном компромиссе между качеством, ценой и габаритами реле. Этот компромисс привел к стандартизации областей применения различных контактов реле, как показано на рис. 7. Области применения различных материалов для контактов достаточно условны, но разработчик должен понимать, что при работе контактов на границе «выделенного» для них диапазона токов и напряжений может потребоваться экспериментальная проверка надежности такого применения. Эксперимент очень прост и заключается в измерении переходного сопротивления контактов для партии однотипных реле, причем желательно тестировать не только что сошедшие с конвейера реле, а прошедшие транспортировку и полежавшие некоторое время на складе. Оптимальным сроком «вылеживания» на складе является 3-6 месяцев, за это время нормализуются процессы старения в пластиках и соединениях металлпластик.

8 комментариев: Искрогасящие цепи

Илья пишет:

Имейте в виду, что шунтирующий контакты реле конденсатор пропускает переменку.
У меня таким образом светодиодный прожектор коммутируется – так вот от этой утечки драйвера СД периодически запускались по мере накопления напряжения – всем известная проблема “вспышек” энергосберегаек через выключатели “с неонкой”. Лично я “задавил” проблему зашунтировав уже сам драйвер резистором на несколько килоом – он не даёт входному кондёру драйвера накапливать заряд от паразитного тока.

Сергей пишет:

Теперь стало понятно,почему падают спутники-из-за:” Рис. 3. Самая удобная и точная номограмма для определения параметров защитной RС цепи (а этому графику уже более 50 лет!)”.Посмотрите на ось C-I. Как-то непонятны: значения ёмкости(то падают,то увеличиваются) и количество делений между значениями(то 10, то 11).

VladV пишет:

Вы чего все навалились с критикой на этот график. А судьи кто? Это не плохая номограмма, даже по современным меркам. Только понимать надо, куда смотришь и чего видишь…
1. Да есть ошибка. Скорее не ошибка, а описка/опечатка. Но опять же, если понимать нарастание шкалы (С-I), то понимаешь, что начинается она не с 1nF, а с 1pF. А по сему значения емкости только увеличивается (нет падения).
2. А то что 40 нФ 100 ом подходят как для 5 так и для 500 вольт, так здесь две причины: Самый большой минус любых графических решений это большая погрешность. Второй – эту номограмму впихнули сюда с нарушением пропорциональности масштаба этого графика. Особенно если страница сайта выполнена с самомасштабированием для разных размеров монитора. Мысленно раздвиньте две вертикальные шкалы по горизонтали и вот 5 и 500 уже не на одной прямой.
Что бы делать экспертное суждение об этой номограмме (т.е. хаять) необходимо оперировать первоисточником. Наверное у критиков этого графика упоминание о “уже более 50 лет!” вызвал улыбку сарказма… Если позволите напомню, в то время спутники падали намного меньше, потому что строили их вот по этим самым графикам, а расчеты делали с помощью логарифмических линеек (калькуляторов тогда еще не было). Наверняка этот график выдран из какого то справочника/учебника. А книги в то время издавали тоже по другому. После издания технической книги редактор обязательно проверял ее на наличие ошибок. И в конце книги были специальные страницы куда впечатывались найденные ошибки и их редакция (как правильно надо понимать). Так вот там обязательно впечатано про 1nF и 1pF .
3.На счет “то 10, то 11” : опять же скажу, что нужно смотреть первоисточник. Из за логарифмичности шкалы, скорее всего указано не целое число т.е. 2 3 4 5 6 7 7,5 8 9 10. Каюсь, это чисто мои домыслы. Поэтому повторюсь – первоисточник! Даже предположу, что в первоисточнике на график наложена сетка для облегчения расчета.
Ну и подытожив сказанное, хочется добавить. Попробуйте окунуться в эти “уже более 50 лет”. У вас нет интернета, нет ПК, нет калькулятора (столбиком когда последний делили/умножали?). Вся достоверная информация только из печатного издания. Хорошо если у Вас есть нужные книги, неплохо если нужные книги есть в технической библиотеки и сегодня не выходной. Чаще всего этого нет не у Вас не в библиотеки. И такая номограмма, точнее сотая копия с сотой копии перерисованной на стеклофоне будет на вес золота.

шел мимо пишет:

“Если нагрузка не допускает протекания тока утечки или это нежелательно по схемотехническим соображениям и в целях безопасности персонала, то необходимо устанавливать RС-цепь параллельно нагрузке.” “В заключение познакомимся с таблицей из этого же отчета, где приведены практически измеренные напряжение и время задержки для различных искрогасящих цепей. В качестве индуктивной нагрузки служило электромагнитное реле с напряжением катушки 28 ѴDС/1 W, искрогасящая цепь устанавливалась параллельно катушке реле.” Народ, ничего не смущает в этом трактате?

Андрей пишет:

А подписи под рисунками 4 и 5 правильные? Такое впечатление, что осциллограммы надо поменять местами.