В промышленных электронных устройствах, для коммутации различных электрических цепей, широко применяются различные электромагнитные реле. В зависимости от типа, эти реле могут легко коммутировать активную нагрузку до 30 Ампер и при напряжении до 400 Вольт.
К сожалению, часто необходимо коммутировать нагрузку, имеющую особый характер тока потребления. Так, например, мощные лампы накаливания, имеющие в холодном состоянии очень низкое сопротивление нити накаливания, люминесцентные светильники с электромагнитными пускорегулирующими аппаратами (ЭМПРА) или с электронными (ЭПРА). Обычный светильник с ЭМПРА, из-за наличия балластного дросселя, имеет низкий Cos φ, поэтому для компенсации Cos φ в них встраивается компенсирующая ёмкость, как правило, параллельно сети. Так в потолочных светильниках на 4 лампы по 18 Вт с ЭМПРА устанавливается параллельно сети конденсатор, ёмкостью 7 мкФ. Можно привести ещё много различных примеров.
При коммутации такой нагрузки, из-за наличия большого скачка тока заряда ёмкости нагрузки, возникают большие проблемы. Так в электронных реле управления часто применяют электромагнитные реле с током коммутации 16 А, т.е. при напряжении 250 В эти реле могут коммутировать активную нагрузку мощностью 4000 Вт. Производители при этом указывают максимальную мощность нагрузки при коммутации компенсированных люминесцентных светильников всего 300-500 Вт. Но и это не спасает ситуацию. Так имеется личный печальный опыт применения такого реле для коммутации всего 6-ти светильников по 72 Вт каждый с ЭМПРА, скомпенсированных ёмкостью 7 мкФ каждый — контакты реле сварились через неделю эксплуатации.
В связи с широким применением микроконтроллеров в электронных реле управления появилась возможность, для повышения нагрузочных характеристик реле, применять технологию синхронной коммутации реле — «zero sync»™.
В некоторых электронных реле производства ЗАО «МЕАНДР» эта технология применяется уже много лет.
Что такое «технология zero sync™»
Суть этой технологии заключается в том, что замыкание и размыкание контактов реле производится в моменты перехода сетевого напряжения через ноль. Подобная технология давно используется при управлении тиристорами и симисторами (zero crossing).
Но в отличии от них, реле не могут мгновенно включится, для этого необходимо некоторое время. Как правило, это время от нескольких единиц до 2-3х десятков миллисекунд и это время мало меняется с течением времени и от условий эксплуатации.
В связи с широким применением микроконтроллеров в электронных реле управления, появилась возможность, для повышения нагрузочных характеристик этих реле, применять в них технологию синхронной коммутации реле — «zero sync»™.
Синхронная коммутация реле происходит следующим образом (см. рис. 1)
Рис. 1
Микроконтроллер, управляющий коммутацией реле, фиксирует момент перехода сетевого напряжения через ноль, и, учитывая время включения и выключения реле (tвкл и tвыкл), рассчитывает время задержки момента подачи управляющего сигнала (tсинхр1) так, чтобы контакты реле замкнулись в момент перехода сетевого напряжения через ноль. Аналогично происходит процесс выключения реле.
Время срабатывания реле, со временем в зависимости от разных факторов, может немного меняться и контакты реле будут замыкаются с небольшим отклонением от нуля. При этом напряжение коммутации составляет всего несколько процентов от максимального значения, а соответственно, и ток коммутации минимален. Время включения и выключения конкретного экземпляра реле контроллер определяет на этапе заводской настройки методом "обучения", то есть в тестовом режиме контроллер выполняет несколько циклов включения-выключения реле, вычисляет средние значения tвкл и tвыкл и запоминает их в энергонезависимой памяти.
При таком способе коммутации, практически отсутствует искрение контактов и значительно увеличивается срок их службы.
Пример с использованием технологии «zero sync»™:
На рисунках ниже приведён осциллограммы обычной и синхронной коммутации при включении мощной галогенной лампы на напряжение 220 В, мощностью 1 кВт. Сопротивление спирали холодной лампы меньше 10 Ом.
Режим обычной коммутации
Рис. 2
Момент коммутации совпал с максимумом напряжения – самый худший случай.
Ток через контакты реле в момент включения достигает примерно 50-55 А. По мере прогрева спирали ток уменьшается до номинального.
Рис. 3-5. - Режим синхронной коммутации
Рис. 3
Рис. 4
Рис. 5
Ток через контакты реле в момент включения в этом случае примерно 6-7 А (в идеале – 0). При этом на нить накаливания лампы не воздействует ударный разрушающий ток, он нарастает плавно и достигает в максимуме значения 36-38 А в течение первого периода и нормализуется после нескольких периодов (см. рис. 5).
Поскольку время срабатывания реле в процессе эксплуатации, по разным причинам, может незначительно меняться, контакты реле могут замыкаться с небольшим отклонением от нуля, напряжение на контактах при этом, не более 30-50 В.
На рис. 6 показан процесс размыкания контактов реле перехода напряжения через ноль.
Рис. 6
Кроме существенного уменьшения износа контактов реле, включение
в момент перехода значения напряжения через ноль, существенно продлевает срок службы ламп.
В настоящее время с применением «zero sync» технологии выпускаются все фотореле, импульсные реле и все термореле, производства ЗАО «МЕАНДР».
В дальнейшем применение этой технологии было расширено для коммутации мощных поляризованных реле. Так в многофункциональных устройствах защиты УЗМ-50М и УЗМ-51М, а также в ограничителе мощности ОМ-63, в которых применяется мощное поляризованное реле, с максимальным током коммутации 80 А, тоже применена эта технология.
Е.Н. Васин,
главный конструктор ЗАО «МЕАНДР»
