个中继电器可靠性与使用中难题浅析
发布时间:2019-11-29 08:02

摘要:阐述了中间继电器的选型是切实提高控制系统运行可靠性的关键问题。结合控制系统的工作特性和工作环境及继电器产品特性,论述了控制系统中中间继电器的选型原则,并对中间继电器应用中的问题作以分析。关键词:中间继电器;可靠性;问题分析1 概述随着我国工业生产过程自动化水平的不断提高,生产工艺对自动控制系统的工作可靠性提出了更高的要求。其工作的可靠性不仅直接影响生产效率和产品质量,而且直接关系到生产设备和操作人员的人身安全。在自动化控制系统中采用大量的中间继电器,其工作的可靠性对控制系统工作的可靠性是至关重要的。如何恰当选择、合理使用中间继电器,是控制系统可靠工作的基础,也是控制系统设计中的一个重要环节。切实提高小型中间继电器固有可靠性,强化“小型中间继电器”设计、制造、筛选工作,根据控制系统可靠性要求的原则,力求尽可能模拟各类控制系统的实际运行情况,来开发和研制新一代中间继电器产品,是中间继电器制造厂商面前的紧迫课题。2 中间继电器的选型面对纷繁复杂的现代继电器产品,如何合理选择、正确使用,是控制系统开发、设计人员密切关注并且必须优选解决的实际问题。要做到合理选择,正确使用,就必须充分研究分析控制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”,恰如其分地提出入选继电器产品必须达到的技术性能要求。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。2.1 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,化学气氛和电磁干扰等要素。考虑控制系统在全国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,装置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)中间继电器产品。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、可靠性和切换负载能力(不受外部气候环境影响)。2.2 机械应力作用要素主要指振动、冲击、碰撞等应力作用要素。对控制系统主要考虑到抗地震应力作用、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。2.3 激励线圈输入参量要素主要是指过激励、欠激励、低压激励与高压输出隔离、温度变化影响、远距离有线激励、电磁干扰激励等参量要素,这些都是确保控制系统可靠运行必须认真考虑的因素。按中间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。2.4 触点输出(换接电路)参量要素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、螺线、接触器(继电器)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。3 中间继电器应用中问题分析3.1 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,在切换交流感性负载时的反峰电压作用下,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:3.1.1 足够的爬电距离:一般要求≥3mm3.1.2 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≥AC1000V;3.1.3 足够的负载能力:DC 220V感性,5~40ms,≥50W;3.1.4 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。3.2 密封继电器与非密封继电器部分工程技术人员认为非密封产品动作状态直观、失效分析方便,而全密封产品动作过程看不见摸不透,两者的优缺点如下:非密封继电器的优点是:多采用拍合式衔铁,结构简单、制造工艺简便、安装维修方便,工作状态直观、便于失效分析、价格便宜。主要缺点是:工作可靠性对使用环境(气候应力、机械应力)变化的敏感性强;线圈易受潮气、杂质污染产生电腐蚀、霉变等而失效。全密封继电器优点是:多采用平衡旋转式衔铁,全密封结构隔离外部气候应力作用,抗恶劣环境性能优良;触点电接触性能稳定可靠,线圈抗腐蚀、霉变,长期可靠性能优良。缺点是:结构复杂,制造工艺特殊,失效分析困难,本身无法维修重复使用,成本、价格高。因此,从长期耐气候应力性能、抗恶劣环境性能与电接触稳定可靠性考虑,全密封继电器明显优于非密封继电器。针对可靠性要求高的航天、航空、军用系列,主要选用金属罩全密封继电器产品。鉴于生产过程自动化控制系统要求长期稳定可靠工作的特殊性,理应以选用全密封继电器产品为主。3.3 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,特别是中等电流(试验标准为DC 28V,0.1A)、低电平(10~30mV,10~50mA)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。3.4 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,再激励继电器使其触点直接短路放电,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i=-e-t/τ 式中 U—为电容器两端电压;R—为放电回路电阻;τ—为时间常数;t—为放电时间。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→∞,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。3.5 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τ,且τ=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τ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。3.6 继电器线圈串联,再用DC 220V电源去激励,这种激励方必须谨慎采用。3.6.1 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。3.6.2 对不同类型或不同规格的继电器产品而言,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。3.7 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K1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,然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。避免上述因疏于研究而导致的不可靠现象。关键词:中间继电器可靠性