Передача, распределение и накопление электроэнергии

Твердотельные реле. Принцип работы и схема включения

13 декабря 2014 г. в 18:44

Твердотельные реле применяют сейчас в промышленном оборудовании, там где нужна большая надежность и малые габариты. У твердотельных реле есть аббревиатура на русском —  ТТР. По-английски название звучит Solid State Relay, SSR. То есть, ТТР и SSR — одно и то же.

SSR OMRON

SSR (твердотельное реле) OMRON

Как не трудно догадаться, основной минус этих устройств — цена, но в этой статье поговорим об их преимуществах и особенностях.

Принцип работы и устройство твердотельных реле

Итак, что такое обычное реле? Это устройство, которое имеет контакты и катушку управления. Контакты приводятся в действие (замыкаются или размыкаются, не важно) подачей напряжения на катушку реле. То есть, нужно некоторое управляющее (активирующее) напряжение, которое приводит в действие контакты.

В твердотельном реле – то же самое. Есть управляющее напряжение (постоянное или переменное, разного уровня, зависит от типа реле) и есть «контакты», которые замыкаются. Почему «контакты» в кавычках – потому что их реально нет, их роль выполняют полупроводниковые (твердотельные, отсюда и название) приборы. Как правило, тиристоры или симисторы (для коммутации переменного тока) и транзисторы (для постоянного тока).

ТТР OMRON. Управляющие контакты

Твердотельное реле OMRON. Управляющие контакты — на переднем плане

В принципе, любой ключевой транзистор можно назвать твердотельным реле. Например, в датчике движения или датчике освещенности на выходе стоит транзистор, который подает напряжение на обычное реле. Обычное реле применяется не только для увеличения коммутируемого тока. Транзистор может пропускать ток только в одном направлении, а вот симистор или тиристоры, используемые в твердотелках, прекрасно пропускают переменный ток.

Так же, как и в обычных реле, в твердотельных существует гальваническая развязка между напряжением катушки и напряжением на силовых контактах. Только в «электромеханических» реле это достигается за счет разнесения в пространстве, а в твердотельных — за счет оптической развязки. Т.е, на входе стоит оптрон.

Твердотельные реле потребляют и теряют гораздо меньше энергии при работе, имеют меньшие габариты, высокое быстродействие, гораздо более длительный срок службы и всё это — абсолютно бесшумно!

Однако не стоит впадать в эйфорию, контакторы и реле прекрасно справляются со своими функциями не только в быту, но и в промышленной аппаратуре. И в обозримом будущем твердотельные реле их полностью не заменят, это точно.

Области применения твердотельных реле

Твердотельное реле применяются там, где нужен принцип «поставил и забыл». А обычные контакты даже производитель рекомендует чистить через несколько тысяч циклов замыканий.

У нас на предприятии на одном станке стоят соленоидные клапаны с питанием 24VDC 2А. Эти два клапана соединены параллельно, и включаются-выключаются с частотой примерно 1 раз в секунду. Питание идёт через реле. И, несмотря на то, что номинальный ток реле 10А индуктивной нагрузки, приходилось менять его каждый месяц-два. Поставили мы твердотелку — и забыли, работает без шума и проблем уже два года.

ТТР очень выгодно использовать там, где обычные контакты плохо справляются и горят как свечи, как в приведенном случае. То есть, нужна надежность. Например, когда надо часто коммутировать индуктивную нагрузку, где контакты залипают или выгорают. Либо, критическое значение имеет габариты устройства.

Что такое контактор и как его применить и выбрать — в моей статье.

Часто ТТР применяют в системах регулирования температуры, где используются ТЭНы. Обычный пускатель (если ТЭН на 3 кВт и больше) развалится через год. Ведь, если нужна большая точность поддержания температуры и выставлен небольшой гистерезис, ТЭН будет включаться-выключаться очень часто. Самому ТЭНу от этого «не холодно, не жарко», а вот контактору придётся потрудиться в поте лица.

Применение в климатической камере 40А

Применение в климатической камере 40А

На фото показано практическое применение. Климатическая камера, ТЭН 2,2 кВт, в защите — автомат С16. Управление с контроллера температуры. Щёлкает с периодом 2 секунды.

Виды ТТР

Твердотельные реле по устройству и принципу работы можно разделить на следующие разновидности:

  • По виду управляющего напряжения — переменное или постоянное (дискретные). Иногда на вход подключается переменный резистор, т.е. используется аналоговое управление, соответственно и выходное напряжение меняется плавно, как в диммере для освещения.
  • По виду коммутируемого напряжения — переменное или постоянное.
  • По количеству фаз для переменного напряжения — одна или три.
  • Для трехфазных — с реверсом или без.
  • По конструкции — монтаж на поверхность или на ДИН-рейку. Хотя, практически все производители предлагают переходные планки для универсального монтажа.

Кроме того, стандартной опцией для коммутации переменного напряжения является переключение в момент перехода через ноль.

Выше уже было фото ТТЛ, у которого вход — постоянное напряжение, выход — переменное (АС-DC). Вот ещё какие реле у меня есть сейчас под рукой:

SSR OMRON DC-DC твёрдотельные реле постоянного тока

SSR OMRON DC-DC. Вход — постоянное напряжение до 24 В, выход — тоже постоянное, до 200 В

SSR FOTEK DC-DC твёрдотельные реле постоянного тока

SSR FOTEK DC-DC — твёрдотельные реле постоянного тока

Этими двумя моделями реле удобно коммутировать нагрузку с постоянным напряжением 24 Вольта, когда управляющий сигнал (тоже 24 В) приходит с выхода контроллера или с датчика. Можно сказать, что это такие компактные усилители тока. Причем коэффициент усиления при этом — около 1000, поскольку ток управляющей цепи — менее 10 мА.

Дальше-больше. Ниже показано трехфазное твердотельное реле. На его входы R, S, T подается три фазы 380В, а с его выходов U, V, W напряжение подается на асинхронный двигатель или трехфазный ТЭН.

Fotek - твердотельное реле трехфазное

Fotek 3 phase. Трехфазное твердотельное реле

Это реле работает (по результатам работы) примерно, как магнитный пускатель с катушкой 24 VDC.

Как подключить электродвигатель через магнитный пускатель — подробно расписано в млей статье.

Управляющие контакты показаны поближе:

Fotek 3 phase. Входные управляющие контакты

Fotek 3 phase. Входные управляющие контакты

Видите на фото, под управляющие контакты предусмотрено ещё одно место, которое в данном случае не используется? На этом месте у другой модели подается сигнал реверса. То есть, при подаче на один вход фазы через реле коммутируются для прямого вращения двигателя, при подаче на другой вход — для обратного.

Кто не в курсе — прямое вращение — это когда двигатель крутится по часовой стрелке, если смотреть ему «в зад». Как поменять направление вращения двигателя — поменять местами любые две фазы.
По теме рекомендую почитать мою статью по трем фазам и отличии трехфазного питания от однофазного.

Трехфазные реле с реверсом бывают с коммутацией двух фаз, третья подключена к двигателю постоянно.

А теперь представьте, столько места занимает и сколько шума при работе создает обычное реверсивное реле на такой ток? То-то и оно!

Вот такое же ТТЛ, но помощнее и с управлением от переменки 220В.

Fotek 3 phase 40A

Fotek TSR-40AA-H 3 phase 40A

Если кому-то придёт в голову, можно кнопкой звонка или герконом запускать двигатель мощностью 10 кВт!

С мощностью не всё так оптимистично, но об этом в конце статьи.

В следующем разделе статьи показана схема, кнопка звонка может стоять как раз в цепи управления.

Схемы включения

Управление твердотельными реле схемотехнически такое же, как и у обычного реле. Ниже упрощенно показана схема включения:

твердотельное реле однофазное, схема подключения

Схема включения твердотельного реле

Схема показана для реле, у которого управляющее напряжение постоянное, от 5 до 24 Вольт. Данное реле может коммутировать переменное напряжение до 240 Вольт, ток до 20 А.

С током не всё так просто, но об этом ниже.

Как работает схема. На вход (контакты 3 и 4, соблюдать полярность!) подается управляющее напряжение от источника 24В. Подается оно через цепь управления, которая представлена как НО контакт. Этим контактом может быть и обычное реле, и выход контроллера, и датчик с релейным выходом или транзисторным выходом типа PNP.

Про НО контакты и PNP выходы датчиков я подробно написал в статье. Очень рекомендую!

Выбор твердотельных реле, защита и особенности работы

Обычное реле и контактор без особых проблем выдерживают кратковременные перегрузки до 150 и даже 200% от номинала. Особенно, если не коммутировать нагрузку с таким током, а повышать ток после замыкания, и понижать перед размыканием.

Обычные контакты могут выдержать и кратковременный ток КЗ, если сработает защита с правильной уставкой тока. Просто, возможно, придётся потом контакты почистить.

Твердотельные реле от перегрузок страдают сильнее, за пол периода портятся безвозвратно и контакты потом не почистить из-за отсутствия таковых.

Это как в звукотехнике. Ламповая техника при перегрузках чувствует себя нормально, только слегка «потеет», а транзисторы начинают жутко искажать сигнал и могут выйти из строя. За это до сих пор так ценятся ламповые усилители, за их мягкий, бархатный звук на предельных мощностях. Другое дело, что источников качественного сигнала сейчас практически нет, всё заполонил mp3 128kbps, и то в лучшем случае. Но это тема отдельного разговора…

Если при выборе контактора достаточно выбрать запас в 10-20% и защитить его обычным автоматом, то с твердотельными устройствами всё сложнее.

Поэтому для твердотельных реле рекомендуется для активной нагрузки (лампы, ТЭНы) запас по номинальному току в 2-4 раза. При пуске асинхронных двигателей из-за большого пускового тока запас по току нужно увеличить до 6-10 раз.

То есть, трехфазная твердотелка Fotek TSR-40AA-H на 40А, показанная на фото чуть выше, на своих 40 амперах работать вряд ли будет. Мощность двигателя, которую можно коммутировать в данном случае — от 2,2 кВт до 5 кВт. Причём двигатель 5 кВт (это около 10А) должен запускаться обязательно на холостом ходу, с минимальным пусковым моментом, а нагрузку к нему прикладывать можно после пуска и разгона.

Напоследок — защита при КЗ

Производители рекомендуют использовать специальные предохранители для твердотельных приборов:

  • gR — предохранители для всего диапазона рабочих токов, для защиты полупроводниковых элементов(более быстродействующие , чем gS);
  • gS — предохранители для всего диапазона рабочих токов, для защиты полупроводниковых элементов, при повышенной загрузке линии;
  • aR — предохранители для всего диапазона рабочих токов, для защиты полупроводниковых элементов от короткого замыкания.

Такие предохранители стоят дорого (сравнимы со стоимостью самого твердотельного реле), поэтому в большинстве случаев можно использовать защитные автоматы класса В. Чем же они хороши и как они спасут наши твердотельные реле от выгорания при КЗ?

Напомню, в 99% везде встречаются автоматы класса С. Класс D ставят в качестве вводных рубильников и при больших пусковых токах (мощные двигатели, трансформаторы). А класс В — самый чувствительный, срабатывает раньше всех.

Рекомендую почитать мою жарко-летнюю статью по выбору и замене защитных автоматов.

Кстати, гуру электрики и электропроводки cs-cs.net, предлагает дома ставить автоматы только В класса. И некоторые производители — рекомендуют ставить В класс на электроплиты, водонагреватели — туда, где нет двигателей и пусковых токов.

Почему — поясню на графике.

Кривые отключения

Кривые отключения или токо-временные характеристики

Подробно про выбор защитного автомата рассказано в другой статье.

Но мы вернёмся к нашему трехфазному твердотельному реле Fotek TSR-40AA-H на 40А, про которое я писал выше. Чтобы его гарантированно защитить от КЗ, надо обязательно поставить вот такой автомат:

Автомат В6

Автомат с характеристикой В6 (обведено красным)

Он мгновенно сработает при токе 20…30 Ампер и спасет твердотелку. А от перегруза надо будет поставить мотор-автомат на ток 4-6,3 А. И это всё будет питать двигатель на 2,2 кВт. Либо ТЭН, тогда мотор-автомат не нужен.

Дополнительные файлы:

Источник: Александр/СамЭлектрик.ру

👉 Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках

Читайте также
Новости по теме
Объявления по теме

ПРОДАМ: Твердотельные реле (SSR – Solid State Relays) – это современный класс полупроводниковых устройств (н/м)

Твердотельные реле (SSR – Solid State Relays) – это современный класс полупроводниковых устройств, которые созданы по инновационной гибридной технологии. В начале 21-го века они успешно заменили собой устаревшие электромагнитные реле и контакторы, которые утратили свою актуальность из-за громоздкости и малой энергоемкости. Предлагаем Вам ознакомиться с модельным рядом твердотельных реле: Однофазные твердотельные реле переменного тока, Однофазные твердотельные реле с фазовым методом управления, Однофазные твердотельные реле для коммутации цепей постоянного тока, Однофазные твердотельные реле в корпусе промышленного исполнения, Трехфазные твердотельные реле, Трехфазные реверсивные реле, Радиаторы охлаждения. Надеемся, что эта информация будет Вам полезна и поможет определиться с выбором! За дополнительной информацией обращайтесь к нашим специалистам! С уважением, Электроэнергетика.
Твердотельные реле (SSR – Solid State Relays) – это современный класс полупроводниковых устройств (н/м)

ПРОДАМ: Твердотельные реле (SSR – Solid State Relays) серий GTR, GTH, GDM, GDH, GDS (н/м)

Твердотельные реле необходимы для переключения силовых цепей под управлением слаботочного входного сигнала. Обычно силовой ключ управляется слаботочным сигналом управления через оптронную гальваническую развязку. Силовыми коммутационными элементами выступают полупроводниковые приборы. Это тиристоры (симисторы) для переменного тока и IGBT транзисторы для постоянного тока. Классификация SSR: • Твердотельные реле постоянного тока или переменного тока. • Одно- и трехфазные. • Существуют ТР с фазовой регулировкой (изменение угла открытия тиристора) и устройства с коммутацией при переходе тока через ноль. • По типу корпуса однофазные ТР бывают как стандартными, так и в модульном корпусе. • В трехфазном SSR может быть функция изменения чередования фаз - реверсивное реле или реверсивный пускатель. Преимущества Главный плюс твердотельных релев том, что это устройство при своей компактности эффективно заменяет устаревшие энергоемкие и громоздкие контроллеры и электромагнитные коммутаторы. Если детально разобраться в отличиях, то можно выделить такие преимущества: • Использование твердотельных реле в системах управления и контроля температурного режима позволяет более точно поддерживать заданную температуру. • В отличие от механического для ТР характерно высокое быстродействие. • При работе отсутствует акустический шум. • Нет дребезжания и искрения, если сравнивать с механическими аналогами. • Энергопотребление у ТР намного меньше, чем у электромагнитного устройства. • Качественная изоляция друг от друга коммутирующих и управляющих цепей. • Конструкция SSR компактна и устойчива к ударам и вибрации. • Длительный срок службы и высокая надежность. Предлагаем твердотельные реле серий GTR, GTH, GDM, GDH, GDS
Твердотельные реле (SSR – Solid State Relays) серий GTR, GTH, GDM, GDH, GDS (н/м)

ПРОДАМ: Предлагаем твердотельные реле н/м

Твердотельные реле (SSR - Solid State Relays) предназначены для коммутации силовых цепей под управлением слаботочного сигнала управления. Их принцип действия построен на управлении силовым ключом слаботочным сигналом управления через оптронную гальваническую развязку. В качестве силовых элементов используются полупроводниковые приборы: для переменного тока - тиристоры или симисторы, для постоянного тока – IGBT транзисторы. Несмотря на свои малые размеры, твердотельное реле способно заменить громоздкие и энергоемкие электромагнитные реле и контакторы. Применяя твердотельные в системах контроля и управления температурой можно добиться более точного поддержания заданного параметра температуры, чем при использовании обычных контакторов или реле. Основные их преимущества твердотельных реле перед механическими заключаются в следующем: • Обладают высоким быстродействием; • Отсутствие акустического шума • Полностью исключено искрение и дребезг контактов как в механических реле; • Энергопотребление меньше, чем у электромагнитных реле; • Управляющие и коммутируемые цепи надежно изолированы друг от друга; • Конструкция более компактная, они не боятся ударных нагрузок и вибрации; • Имеют высокую надежность и долгий срок службы. За дополнительной информацией к нашим специалистам!
Предлагаем твердотельные реле н/м

ПРОДАМ: Однофазные твердотельные реле SAVR (с фазовой регулировкой)

Твердотельные реле Selec — это универсальные реле, обеспечивающие коммутацию цепей в наиболее распространенных в промышленности диапазонах токов нагрузки резистивного или индуктивного типа. Это устройство электронного типа, один из видов реле, в котором нет движущихся элементов. Изделие применяется для подачи тока или разрыва цепи путем внешнего управления (действием небольшого напряжения). Твердотельное реле (сокращено — ТТР) имеет внутри датчик, реагирующий на подачу управляющего сигнала. Кроме того, в составе изделия имеется твердотельная электроника, в том числе включающая цепочка, способная коммутировать большие токи. Устройство может устанавливаться в цепях переменного и постоянного тока, часто применяется как обычное реле. Главная разница в том, что в ТТР нет механических контактов. SAV — В частности с помощью ТТР этих серий эффективно осуществлять: Регулирование мощности ТЭНов; Регулирование напряжения на лампах накаливания, например, для корректировки необходимого уровня освещенности и т. п. • Количество Фаз 1 • Тип корпуса Панелный • Тип коммутации фазовое управление симистором • Тип вых. силовых элементов Симисторы (TRIAC) • Напряжение пробоя 2500V AC в теч. 1 минуты • Частота коммутации 50 Гц • Индикация включения есть • Время переключения 10mS (при частоте 50 Гц) • Минимальный коммутируемый ток 0,1 А • Рабочая температура -40~80℃ • Класс защиты IP54 • Масса ≤ 130 г • Падение напряжения в коммутируемой цепи во включенном состоянии ≦1.3 VAC Краткая информация по разновидностям модельного ряда. Твердотельное Реле SAVR-2225 • Управляющий сигнал 470 kOm • Коммутируемое напряжение 0-220 VAC • Номинальный ток нагрузки до (≤100mS) 025 A • Рекомендуемый макс. ток нагрузки (Резистивные) 19 A • Макс. пиковое напряжение 1000 VAC Твердотельное Реле SAVR-3825 • Управляющий сигнал 660 kOm • Коммутируемое напряжение 0-380 VAC • Номинальный ток нагрузки до (≤100mS) 025 A • Рекомендуемый макс. ток нагрузки (Резистивные) 19 A • Макс....
Смолич Елена · НПК Электроэнергетика · 21 мая · Россия · Московская обл
Однофазные твердотельные реле SAVR (с фазовой регулировкой)

ПРОДАМ: Однофазные твердотельные реле (в комплекте с радиатором) SAH

Предлагаем Вам информацию по твердотельным реле SAH, которые Вы можете купить у нас. Твердотельные реле — это универсальные реле, обеспечивающие коммутацию цепей в наиболее распространенных в промышленности диапазонах токов нагрузки резистивного или индуктивного типа. Это устройство электронного типа, один из видов реле, в котором нет движущихся элементов. Изделие применяется для подачи тока или разрыва цепи путем внешнего управления (действием небольшого напряжения). Твердотельное реле имеет внутри датчик, реагирующий на подачу управляющего сигнала. Кроме того, в составе изделия имеется твердотельная электроника, в том числе включающая цепочка, способная коммутировать большие токи. Устройство может устанавливаться в цепях переменного и постоянного тока, часто применяется как обычное реле. Главная разница в том, что в твердотельных реле нет механических контактов. SAH — серия реле с радиатором • Количество Фаз 1 • Коммутируемое напряжение 40-530 VAC • Тип корпуса Панелный • Потребляемый ток в цепи упр. 6-25 mA • Тип коммутации при переходе через 0 • Макс. пиковое напряжение 1000 VAC • Тип вых. силовых элементов Симисторы (TRIAC) • Напряжение пробоя 2500V AC в теч. 1 минуты • Частота коммутации 50/60 Гц • Индикация включения есть • Время переключения 10mS (при частоте 50 Гц) • Дополнительно с радиатором • Рабочая температура -40~80℃ • Класс защиты IP54 • Падение напряжения в коммутируемой цепи во включенном состоянии ≦1.3 VAC Модельный ряд твердотельных реле серии SAH Твердотельное Реле SAH-4825A • Управляющий сигнал 90-280 VAC • Номинальный ток нагрузки до (≤100mS) 025 A • Рекомендуемый макс. ток нагрузки (Резистивные) 18 A • Рекомендуемый макс. ток нагрузки (Индуктивные) 2,5 A • Минимальный коммутируемый ток 0,15 А • Масса ≤ 440 г Твердотельное Реле SAH-4825D (компактный) • Управляющий сигнал 4-32 VDC • Номинальный ток нагрузки до (≤100mS) 025 A • Рекомендуемый макс. ток нагрузки (Резистивные) 18 A • Рекомендуемый макс. ток нагрузки (Индуктивные) 2,5 A •...
Смолич Елена · НПК Электроэнергетика · 21 мая · Россия · Московская обл
Однофазные твердотельные реле (в комплекте с радиатором) SAH
Компания LEDVÁNCE — один из ведущих мировых производителей осветительной техники: традиционных источников света, энергоэффективных светодиодных ламп, светильников, инновационных светотехнических решений для «умного дома». Продукция компании предназначена как для профессионального, специализированного применения, так и для конечного потребителя.