Új ívoltási megoldás elektromechanikus relékben

A cikk a FINDER cég 62-es relésorozata egy tagjának, a 62.32-0300 jelű teljesítményrelének azt a tovább fejlesztett konstrukciós változatát ismerteti, amely – az érintkezők megszakítási helye közelébe ívfúvó mágnesek beiktatásának segítségével – nagyobb terhelések kapcsolására is alkalmas.

FINDER  62.31.9.024, jelű teljesítményrelé

Ismeretes, hogy elektronikus komponensekkel egyenáram kapcsolható. Az elektronikus kapcsolók és rendszerek előnye a közelítőleg korlátlan élettartam. Hátrányuk viszont, hogy nem biztosítanak galvanikus leválasztást, továbbá villamos szilárdságuk korlátozott. A nagyobb terhelések kapcsolására alkalmas félvezető elemek hővesztesége többnyire nagy, ezért ezeknek az elemeknek a mérete – a szükséges hűtőrendszerek miatt – ugyancsak nagy. Számos alkalmazásnál olyan, viszonylag kisméretű relék jelentik az optimális megoldást egyenáram kapcsolására, amelyek a beépített ívfúvó mágnesük révén nagyobb egyenáramot is megbízhatóan tudnak kapcsolni.

A Finder 62-es sorozatú reléi az elmúlt évek jól bevált termékei, amelyek különösen AC terhelések kapcsolására alkalmazhatók, egészen 16 A-ig. Max. +70 °C környezeti hőmérsékletig a relék beépíthetők közvetlenül NYÁK-ba vagy foglalatba dugaszolhatók, a tekercsfeszültség pedig az elektromechanikus reléknél járatos AC vagy DC vezérlőfeszültségek lehetnek.

A 62-es sorozat számos európai és Európán kívüli nemzeti tanúsítvánnyal rendelkezik. Az érintkezők környezetében elhelyezett ívfúvó mágnessel felszerelt 62-es sorozatú relék olyan új, gazdaságos reléalkalmazásokat tesznek lehetővé, amelyeket eddig csak félvezető-kapcsolókkal vagy lényegesen nagyobb méretű mágneskapcsolókkal lehetett megvalósítani. Az érintkezők kisebb mértékű anyagfogyása pedig lényegesen hosszabb karbantartási ciklusokat tesz lehetővé.

Miért van szükség a relékben ívoltásra? Ismeretes, hogy az elektromos áram kapcsolásakor villamos ív keletkezik. A villamos ív hőmérséklete néhány 1000 °C. Ilyen magas hőmérsékleten az érintkezőanyag egy része elgőzölög. Az elgőzölgött érintkezőanyag az érintkezők kevésbé meleg részein, ill. az érintkezők környezetében, pl. a relésapkán lecsapódik. Erre a lecsapódásra utalnak a világosbarna, barna, fekete színű elszíneződések. Az érintkezőanyagból ezüst gőzölög el, amely a levegőben található kénnel villamosan nem vezető ezüstszulfidot képez. Megnézve a sötéten elszíneződött érintkező felületeket, mindegyik érintkezőn találhatók fémesen csillogó, világos pontok is. Ezek a fémes felületek az ív talppontjai.

Kapcsolási szikrák és villamos ívek mind váltakozó áramú, mind egyenáramú kisebb-nagyobb terhelések be- és kikapcsolásakor keletkeznek. A villamos ív pozitív és negatív hatással van a villamos kapcsolókészülékek kapcsolási viselkedésére, a kapcsolás megbízhatóságára, a készülék várható élettartamára.

A pozitív tulajdonságok közé tartozik az érintkezőkre gyakorolt villamos tisztító hatás, mert az „ívtalppontokban” pontszerűen fémes felületek keletkeznek, amelyek az érintkezők következő zárásakor egymással érintkezve megbízható villamos kontaktust adnak. A negatív tulajdonságok közé tartozik, hogy minden egyes ívképződéskor érintkezőanyag gőzölög el, ezért, ha nagy a kapcsolási szám, akkor idővel elfogy az érintkezőanyag.

A legtöbb készülékfejlesztés célja, hogy a készülék használati idejét és megbízhatóságát a költségek, a méretek, a hőveszteség csökkentése és a karbantartási intervallumuk meghosszabbítása tekintetében optimalizálják. Váltakozó áramú és kisebb egyenáramú terhelések kapcsolására a Finder széles reléválasztékkal rendelkezik. Ezeknek a reléknek a mérete, a csatlakozásuk és a rögzítésük módja, az érintkezők által kapcsolható áram nagysága és jellege, vezérlő tekercsfeszültsége mind-mind különböző lehet, ezáltal lehetővé téve a kapcsolási feladathoz történő optimális illesztést.

Több lehetőség létezik a villamos ívek megszakítására (oltására). Kisebb áramú AC és DC ívek esetén a környező levegő olyan erősen hűti az ívet, hogy az ív nem tud fennmaradni. A nagyobb áramú AC ívek úgy alszanak ki, hogy a szinuszos lefolyású feszültség értéke egyre kisebb lesz, és ha a feszültség értéke kb. 15 V alá csökken (a reléérintkezők közötti ív feszültsége), akkor az ív magától kialszik.

Nagyobb egyenáramú terhelések kapcsolásakor két jelentős különbség mutatkozik a váltakozó áramú terhelések kapcsolásával összehasonlítva. Egyrészt az egyenáramú ívben folyó áram mindig egy irányban folyik, ezért az érintkezők között egyirányú anyagvándorlás alakul ki: az egyik érintkezőn elfogy az anyag (lyuk/kráter keletkezik), a másik érintkezőn pedig felhalmozódik az anyag (tüske/csúcs keletkezik). Másrészt az induktív jellegű DC terhelésekben (motor, szelep, tekercs stb.) tárolt energia a terhelések lekapcsolásakor az érintkezők között kialakult ívben hővé alakul, ezáltal fenntartja az ívet. Hosszabb lesz az ívidő, nagyobb lesz az anyagfogyás és az anyagvándorlás, ezért reléérintkezőkkel csak kisebb DC terheléseket lehet kapcsolni. Ez esetben előnyösek az ívfúvó mágnessel rendelkező relék előnyös kapcsolási tulajdonságai.

Az ívfúvó mágnessel történő ívoltási folyamat nagyon gyors és optikailag csak nagy sebességű kamerával követhető. A továbbiakban a folyamatot grafikusan mutatjuk be. Az érintkezők felületén az ívtalppont vándorlásának az útja néhány kapcsolás után szabad szemmel is látható (1. ábra).

 

1. ábra

Az ívtalppont vándorlása az érintkezők nyitási folyamata alatt FINDER 62.31.9.024.4800

 

Az 1. ábra jobboldali rajzán a bal oldali érintkező elérte a végállását. Az állandó mágnes ívfúvó hatására az ívtalppont az érintkező pogácsák széle felé mozog és elérheti az érintkezőtartót. Ezáltal az ív még hosszabb lesz, nagyobb lesz a felülete, jobban hűl, az ionizált levegő gyorsabban elveszíti vezetőképességét. Mindez azt eredményezi, hogy az ív gyorsabban kialszik.

A 2. ábra a 62.31-4800 típusú relé érintkezőin mutatja az ívtalppont mozgását. A relé ívfúvó mágnessel rendelkezik, a 14-es és 34-es számú fix érintkezők között két sorba kapcsolt záróérintkezővel. A katalógusban megadott érintkezőpolaritást be kell tartani.

 

2. ábra 

Az ívtalppontok mozgása 1 záróérintkezőnél, két sorba kapcsolt megszakítási hellyel

 

A 3. ábra a 62.32-4800 típusú relé érintkezőin mutatja az ívtalppont mozgását. A relé 2 záróérintkezővel és ívfúvó mágnessel rendelkezik, a 14-es és 34-es számú érintkezők a nem mozgó, fix érintkezők. A katalógusban megadott érintkezőpolaritást be kell tartani.

3. ábra 

Az ívtalppontok mozgása a 2 záróérintkezős relénél

 

A 2 záróérintkezős relénél vannak olyan alkalmazások, amelyeknél az egyik érintkező DC terhelést, a másik pedig AC terhelést kapcsol. Erre a feladatra nem kell 2 relét használni. Az AC terhelést kapcsoló érintkezőn az ívtalppont két irányba mozog a pozitív és negatív félperiódusoknak megfelelően.

 

4. ábra 

Az ívtalppontok az ívfúvó mágnessel rendelkező 62.32-4800 típusú relé 34-es számú érintkezőjén AC terhelés kapcsolásakor

 

Ívfúvó mágnesek alkalmazásával akár 10 A is kapcsolható reléérintkezőkkel 220 V DC feszültségen

Ismeretes, hogy az ívfúvó mágnes nélküli relékkel csak kisebb DC terhelések kapcsolhatók. Ennek a hátterében az áll, hogy induktív terhelések bekapcsolása után az induktivitásban energia tárolódik. Amikor a reléérintkezők lekapcsolják a terhelést, akkor egy meredek feszültségcsúcs keletkezik (U = L dI / dt), mert az áram megszakad, nagy az áramváltozás meredeksége. Ez a feszültségcsúcs kis áramoknál kapcsolási szikrát eredményez, kb. 1 A-nél nagyobb áramoknál pedig villamos ív keletkezik. A villamos hegesztéshez hasonlóan hő keletkezik, ami addig érezteti hatását, amíg az ív ki nem alszik. Kis DC terhelések kapcsolásakor (kb. < 50 V / < 1 A) az ív magától kialszik. Az ív azért nem tud fennmaradni, mert az induktív terhelés kikapcsolásakor az összeomló mágneses tér energiája gyorsan csökken és a környező levegő le tudja hűteni az ívet.

Nagyobb DC terheléseknél az ívfúvó mágnes hatása abban áll, hogy a mágnes erőhatására az ív kilép az érintkezők közötti térből, és ezáltal lényegesen hosszabb lesz, nagyobb lesz az ív felülete. A nagyobb felületen az ív sokkal gyorsabban hűl és gyorsabban kialszik. Az, hogy milyen nagy a hatékony ívoltás hatása az érintkezők kapcsolási teljesítményére, akkor látható, ha összehasonlítják a 62-es sorozat ívfúvó mágnes nélküli reléinek kapcsolási teljesítményét az ívfúvó mágnessel felszereltekével.

Az ívfúvó mágnes nélküli 62.32-0300 típusú relé 1 záróérintkezője 220 V DC feszültségen 0,7 A nem induktív vagy csekély mértékben induktív, DC-1 alkalmazási kategóriának megfelelő terhelést tud kapcsolni 100 000 kapcsolási cikluson át. Ugyanilyen körülmények között az ívfúvó mágnessel rendelkező 62.32-4800 típusú relé 1 záróérintkezője 220 V DC feszültségen 6 A teljesítményű ugyanakkora kapcsolási számnál.

Amennyiben a kapcsolási feltételek továbbra is azonosak, és 2 záróérintkezőt sorba kapcsolunk, akkor a 62.32-0300 típus érintkezőivel 1 A, a 62.31-4800-as relével pedig 10 A nagyságú terhelés kapcsolható a DC-1 kategóriában. Ha DC- 13 alkalmazási kategóriába sorolható egyenáramú elektromágnesek képezik a terhelést és a terheléssel párhuzamosan védődiódát kapcsolunk, akkor az érintkezők kapcsolási teljesítménye és várható villamos élettartama kb. ugyanakkora, mint azonos nagyságú DC-1 alkalmazás esetén.

Tehát az ívfúvó mágnessel szerelt relével kb. 10-szeres DC terhelés kapcsolható, mint az ívfúvó mágnes nélküli relével. (További műszaki adatok a Finder katalógus szerint.)

Hol alkalmazhatók előnyösen az ívfúvó mágnessel szerelt relék?

A relé bemeneti vezérlőfeszültségét a szokásos DC tekercsfeszültség-értékek közül választhatjuk.

A relé kimeneti érintkezőit célszerű nagyobb DC terhelések kapcsolására használni. A 2 záróérintkezős relénél lehet az érintkezőket úgy is használni, hogy az egyik érintkező DC, a másik AC jellegű terhelést kapcsol.

A teljesség igénye nélkül jellemző alkalmazások lehetnek:

  • nagyobb teljesítményű egyenáramú hajtásokban 220 V feszültségig
  • napelemes rendszerek invertereiben
  • galvanizálási technológia területén
  • nagyobb ohmos egyenáramú terhelések kapcsolására
  • olyan DC egyenáramú terhelések kapcsolására, amelyeknél nem lehet a terheléssel párhuzamosan védődiódát kapcsolni
  • ahol hosszabb karbantartási / csereintervallumok szükségesek stb.