干貨 | 繼電器的失效模式分析及安全繼電器的使用必要性
安全繼電器
干貨 | 繼電器的失效模式分析及安全繼電器的使用必要性 2019-07-31 干貨 | 繼電器的失效模式分析及安全繼電器的使用必要性 672

繼電器是一種電子控制器件,通常應用于自動控制電路中。實際上它是用較小的電流去控制較大電流的一種“ 自動開關 ”。


因此,在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。電磁繼電器主要由線圈、鐵片、復位彈簧、可動觸點及固定觸點等組成。常見電磁繼電器結構見下圖。

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電磁繼電器基本結構


電磁繼電器利用電磁感應原理進行工作:

當線圈通電后,線圈中心的鐵芯被磁化產生磁力與如圖所示鐵片吸合,鐵片通過杠桿作用推動連接的可動觸點動作,此時常開觸點吸合,常閉觸點打開;

● 當切斷線圈電流后,鐵芯立刻失去磁性,被壓縮的彈簧復位產生作用力使得鐵片回復到原來的位置,此時常開觸點打開,常閉觸點吸合。


繼電器失效模式分析及對策


在一些特殊應用場合,本應該正常工作的繼電器由于種種特殊原因工作異常,造成的損失往往不可估量。所以在使用繼電器時我們應該明晰的知道導致繼電器失效的具體原因,進而采取相應的解決措施最大程度地避免繼電器的失效,這可能會對保護人身、財產安全有著重大意義。



而對于繼電器來說,導致其工作異常的失效原因有多達二十種之多,由于具體使用環境及工作場合的不同繼電器的失效原因也不盡相同。本文僅列舉下述幾種常見的繼電器失效原因及解決對策以供大家參考。


1-1 觸點動作異常


a.  觸點焊接:觸點表面通過大負載浪涌電流,加之高頻繁切換產生電弧熱。

對應解決措施:

1. 不要使得電源電壓下降或線圈電壓下降引起觸點顫動;

2. 注意開閉浪涌電流超過額定電流的負載;

3. 注意繼電器的高頻率切換使用。


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產生觸點焊接的故障觸點


b.  觸點材質轉移:觸點(Ag沸點約為200°)在進行直流負載切換時產生電弧熱(600°),導致觸點材質熔化產生蒸發轉移。

對應解決措施:

1. 通過串聯限流電阻降低負載浪涌電流;

2. 觸點部分并聯二極管吸收反電動勢。


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產生觸點黏連材質轉移的故障觸點


c.  碳化物導致觸點故障:容易在觸點連接電磁負載(電磁閥、接觸器和閥門)時產生,在繼電器觸點長期開閉后,觸電開閉的浪涌引起周圍有機氣體的分解和灰塵的碳化,并附著在觸點上,繼而導致觸點接觸不良。

對應解決措施:

1. 感性負載的反電動勢大于電阻性負載,因此更易產生碳化。

2. 觸點部分并聯RC或二極管等浪涌吸收元件來吸收反電動勢。


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產生碳化物的故障觸點


上述的三種觸點故障應該說是我們在使用繼電器過程中常見的幾種失效模式,從接觸可靠性及使用壽命、防止噪音方面考慮,建議安裝使用浪涌吸收元器件的觸電保護電路。而且,此時,負載的釋放時間會有若干延遲,使用之前請使用實際負載進行確認。此外,請注意,不正確使用會導致相反的效果。



以下為觸點保護電路的典型示例。



1-2 觸點保護電路


a. CR方式

左圖:在AC電源電路中,負載阻抗小于RC阻抗時可使用。C:0.1~1Uf;R:與負載相等的電阻值。

右圖:在AC、DC電源電路中均可使用。C:0.1~1Uf;R:與負載相等的電阻值。


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b.  二極管方式

DC電源專用。請使用下列額定值的二極管。逆向耐受電壓:負載電路的電源電壓*10,正向電流:大于負載電流。


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c. 壓敏電阻方式

AC、DC電源電路中均可使用。為得到最佳效果,在使用24V~48V電源電壓時,在負載端連接壓敏電阻;在100V~200V的電源電壓時,在觸點間連接壓敏電阻。


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注:請勿使用以下觸電保護電路。



該保護電路在斷開觸點時消弧非常有效。但由于觸點斷開時電容器(C)會蓄電,在接通觸點時,電容器流出短路電流,因此,觸點容易出現熔接。



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該保護電路在斷開觸點時對消弧非常有效。但觸點閉合時,蓄積的電流流向電容器時觸點容易出現熔接。


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在實際的應用中,幾乎所有的繼電器失效均是由于繼電器的頻繁開閉導致其達到壽命,或是帶動大功率感性負載從而發生觸點焊接或碳化。即使有些已經加裝了如二極管等的浪涌保護裝置,但仍然不能完全杜絕失效的發生。


因此,對于那些需要觸點能夠確確實實進行開閉的控制要求,如:急停開關的信號通過中繼來切斷動力源,等等,則需要采用帶有冗余+自檢功能的安全繼電器來進行實現。那么對于帶冗余+自檢功能的安全繼電器究竟是怎么回事呢?接下來就安全繼電器的相關知識做以下介紹供大家參考。


安全繼電器的定義及特點


2-1 什么是安全繼電器?


安全繼電器是由多個繼電器邏輯電路組合而成的一種模塊,是一種電路組成單元,其目的是要互補彼此在故障狀態下的缺陷,從而達到正確且低誤動作的功能,降低其失誤和失效值,提高安全因素。完整點說,應該叫成安全繼電器模塊



由于不同的機械設備、不同的工藝環節有不同的安全風險,及不同的危險等級。因此在產品設計時,設計了多種安全繼電器以保護不同等級機械設備,主要目的在于保護暴露在不同等級之危險性的機械操作人員。



2-2 安全繼電器的特點


a. 安全繼電器是一種電路模塊而不是一種電子元件;

b. 安全繼電器由專門的顏色,一般為黃色或紅色;

c. 安全繼電器由對于繼電器的要求不同以及其它邏輯電路的輔助設計,診斷覆蓋率很高,甚至有些可以達到99.9%,因此可以用在一些要求更高的場合,也有規定必須使用經過認證的安全繼電器才能滿足安全要求!

d. 安全繼電器具有強制導向觸點結構(或者其他的保護方式),萬一發生觸點融焊現象時也能確保安全,所以說“安全繼電器”并不是“沒有故障的繼電器”,而是發生故障時做出有規則的動作。


強制導向安全繼電器在內部強制導向桿的作用下,即使觸點發生熔結,也不會使得兩對觸點(NO/NC)同時出現ON現象。強制導向結構是一種檢測觸點熔接故障的簡單有效方式。根據EN 50205的要求,在NO觸點和NC觸點的獨立組合中,當NO觸點熔接時,即使斷開繼電器線圈的電源(無勵磁),NC觸點也不閉合,確保0.5mm以上的觸點間隙。此外,當NC觸點熔接時,即使啟動繼電器線圈的電源(勵磁),NO觸點也不閉合,確保0.5mm以上的觸點間隙。



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強制導向繼電器的NO觸點熔解


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強制導向繼電器的NC觸點熔解


普通繼電器觸點若發生熔結,會使得兩對觸點(NO/NC)可能同時出現ON現象。簡單說:安全繼電器更安全可靠,適用于工業安全場合。


安全繼電器的應用場合


a. 適用緊急停止按鈕,緊急情況下,停止機器運轉;

b. 適用安全光幕,防止工作人員進入危險工作范圍;

c. 適用安全門限開關,檢測門的位置,開或者關的應用;

d. 適用電磁門鎖開關的應用,確保作業區的安全;

e. 適用鑰匙配合安全門開關,作為檢測門開閉之用;

f. 適用安全墊開關,確認工作人員可以安全進入危險工作區域。



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