W układach automatyki i sterowania często zachodzi konieczność dokonania separacji galwanicznej układów sterowania oraz obciążenia lub też konieczność wzmocnienia obciążalności prądowej wyjść układów sterowania. Można wówczas zastosować kilka rozwiązań:
– przekaźnik elektromagnetyczny
– stycznik instalacyjny
– przekaźnik przełączany w zerze
Każde z rozwiązań zapewnia separację galwaniczną oraz może zwiększyć obciążalność prądową wyjść sterujących, ale każdy wariant sprawdzi się najlepiej w innej sytuacji. Żeby odpowiedzieć na pytanie który z nich będzie pracował najlepiej w której sytuacji należy poznać budowę oraz zasadę działania każdego z rozwiązań.
Budowa przekaźnika elektromagnetycznego opiera się o dwa główne bloki: cewkę oraz zestaw styków.
W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że przez cewkę przepuszczany jest prąd powodując powstanie siły elektromotorycznej, która to siła wywołuje ruch miniaturowej kotwy przekaźnika. Kotwa umocowana jest na ruchomym, łożyskowany zawiasie podłączonym do sprężyny będącej odciążeniem dla styku. Zadaniem sprężyny jest spowodowanie by po zaniku prądu cewki styki powróciły do pierwotnej pozycji. Z praktycznego punktu widzenia istotne jest by siła elektromotoryczna wywołana przez cewkę była w stanie pokonać siłę sprężyny, zatem tolerancja napięcia zasilania cewki jest istotnym parametrem pracy urządzenia. Procesy starzeniowe układów zasilaczy sterujących przekaźnikiem (podających zasilanie na cewkę) będą więc grały główne skrzypce w niejednej instalacji. Można także wybrać przekaźnik z wbudowanym układem zasilacza. Taka konstrukcja jest w stanie być wyzwalana przez napięcie sieciowe. W ofercie firmy ZAMEL odnajdziemy przekaźniki elektromagnetyczne z cewkami przystosowanymi do napięć na poziomie 12V AC/DC, 24 V AC/DC oraz wersja z wbudowanym zasilaczem: 230 V AC/DC. Tolerancja przekaźników to -15 do +10 % napięcia znamionowego.
Przekaźniki mogą posiadać różny układ styków. Wg normy PN-EN 61810-1 wyróżniamy następujące rodzaje styków:
- Styki zwierne, oznaczane literą Z,
- styki rozwierne, oznaczane literą R,
- styki przełączne, oznaczane literą P.
Pojedyncze urządzenie może posiadać pojedynczy styk lub też podwójny. Przykładem może być seria przekaźników PEM-02 firmy ZAMEL, gdzie urządzenia posiadają 2 pary styków przełącznych wyzwalanych wspólną cewką:
Przekaźniki elektromagnetyczne posiadają konstrukcję modułową (instalacyjną) bądź też interfejsową. Pierwszy wariant dedykowany jest głównie do instalacji budykowych, gdzie spotykamy się z nieświadomym użytkownikiem, a zatem nie możemy dopuścić by ingerował on w przekaźnik. Ważna jest w tym przypadku także estetyka oraz cicha praca urządzenia. Ze względu na komfortowe warunki użytkowania (w przypadku instalacji budynkowych w stosunku do rozwiązań stosowanych w przemyśle) przekaźniki instalacyjne są bardzo rzadko wymieniane. Przekaźniki interfejsowe stosowane są głównie w przemyśle, gdzie mają za zadanie pracować w ekstremalnych warunkach, narażone na działanie dużych prądów udarowych, częste przełączenia, wysoką lub niską temperaturę lub też drgania. Ze względu na te specyficzne warunki pracy przekaźniki takie często ulegają uszkodzeniu lub wyeksploatowaniu. Proces jaki nadzorują nie może jednak być przerywany na dłuższy czas, stąd wykwalifikowana obsługa może szybko i sprawnie wymienić element wyjmując go z podstawki i zastępując nowym bez konieczności demontażu okablowania.
STYCZNIK INSTALACYJNY
Zasada działania stycznika jest zbliżona do przekaźnika jednak stycznik przenosi zdecydowanie większe wartości prądów. Pociąga to za sobą szereg różnic. Konstrukcja stycznika opiera się na kilku głównych elementach. Pierwszym z nich jest cewka elektromagnesu, która ma postać obwodu magnetycznego (magnetowodu) wykonanego z materiału ferromagnetycznego. Magnetowód stycznika jest dwuelementowy – składa się on z nieruchomego rdzenia z nawiniętym uzwojeniem miedzianym oraz z ruchomej zwory. Drugim elementem budowy stycznika jest zestaw styków prądowych, który może różnić się liczbą i układem połączeń styków. Styki prądowe są połączone mechanicznie z ruchomą zworą elektromagnesu, ale są także izolowane od siebie elektrycznie. Zwykle styki oraz zwora są dodatkowo osadzone na sprężynach powrotnych. Kolejnym podstawowym elementem stycznika, jest jego obudowa, która pełni funkcje ochronne oraz posiada możliwość podłączenia dodatkowego akcesorium, np. styków pomocniczych
Styczniki mogą być wyposażone w dodatkowe elementy konstrukcyjne poszerzające ich funkcjonalność. Często spotyka się dodatkowe mocowania zacisków lub też dźwignie do sterowania ręcznego pracą stycznika. Takie rozwiązanie staje się przydatne w przypadku gdy automatyka sterująca ulegnie uszkodzeniu lub też chcemy uruchomić dany proces w drodze wyjątku – poza standardowym działaniem układów automatyki. Dzięki możliwości mechanicznej blokady stanu stycznika mamy pewność, że pozostanie on załączony pomimo zmian stanu układu automatyki strującej. Doskonałym pomysłem jest także zastosowanie dźwigni w przypadku diagnostyki rozdzielnicy. Wówczas mamy pewność, że elementy pozostają w określonym stanie.
Dobierając stycznik do konkretnego zastosowania należy zwrócić uwagę na jego parametry. Pierwszym z nich jest napięcie cewki urządzenia. Najbardziej popularne napięcia sterujące to napięcie sieciowe 230 V AC, napięcie 24 V AC i 24 V DC oraz 240 V DC. Zdarzają się także konstrukcje o cewce przystosowanej do napięć 48 V AC/DC oraz 110 V AC. Zaciski cewek zazwyczaj oznaczane są jako A1 i A2, a na obudowie urządzenia wskazana jest prawidłowa wartość napięcia sterowania, czyli napięcia wyzwalania stycznika (napięcia podawanego na cewkę urządzenia).
Parametr ten znaleźć można także w instrukcji obsługi stycznika oraz karcie katalogowej.
Kolejnym bardzo ważnym parametrem jest układ styków stycznika. W zależności od funkcji jaką pełnić będzie urządzenie wyróżnić możemy konfigurację styków:
Ostatnim parametrem rozpatrywanym w przypadku doboru stycznika jest maksymalny prąd jaki może przenieść dane urządzenie. Zatrzymajmy się przy tym parametrze nieco dłużej, ponieważ parametr ten jest niezwykle istotny. Z podstaw elektrotechniki teoretycznej wiemy, że obciążenie może przyjmować trzy podstawowe charaktery: obciążenie czysto rezystancyjne ( R ), obciążenie indukcyjnościowe (L) i obciążenie pojemnościowe ( C ) . Wpływają one na zachowanie się napięcia i prądu. Ich wpływ opisuje pośrednio parametr nazwany impedancją. Wyraża się on wzorem:
Z = R + X
gdzie: R – jest to rezystancja, a X to tak zwana reaktancja obwodu:
X= XL+ Xc
Jak widać z powyższego wzoru może ona przyjmować dwie formy: reaktancji pojemnościowej Xc lub reaktancji indukcyjnościowej XL . Wyrażone są one wzorami:
Xc=1/jɷC
XL=jɷL
Zapisane powyżej wzory przyczyniają się do zmiany wektorów napięcia i prądu naniesionych wspólnie na płaszczyznę zespoloną (stąd realis – oś x – to rezystancja R i imaginalis – oś y – to częstotliwość zmian przebiegu, np. 50Hz, mnożona przez 2Π <okrąg> i długość wektora na którą ma wpływ pojemność i indukcyjność).
Co z tych wzorów wynika w praktyce? Bez wnikania w szczegóły trzeba zauważyć, że w zależności od charakterystyki obciążenia zmianie ulegają prądy jakie będą płynęły w obwodzie. W większości obwody stanowią mix poszczególnych charakterystyk będąc obciążeniem typu RL (np. silniki), RC (np. oświetlenie LED wraz z zasilaczami) lub RLC (obwody mieszane). Dodatkowo dochodzą tutaj inne zjawiska, np. zwiększony prąd rozruchu silnika, prąd ładowania kondensatorów itp. Mają one wpływ na materiał z jakiego wykonane są styki stycznika lub też przekaźnika. Jeżeli taki materiał poddawany będzie niewłaściwej eksploatacji prądem (np. wysokim prądem rozruchowym) to może ulec zniszczeniu (np. zespoleniu styków, zwiększeniu oporności własnej styków oraz ich przepaleniu). Najbardziej istotne są tutaj prądy rozruchowe oraz zjawisko zachowania ciągłości prądu w czasie rozłączenia styków stycznika. Ich wpływ na jakość styku jest zazwyczaj najsilniejszy i muszą być uwzględniane na etapie doboru elementu.
Żeby prawidłowo dobrać stycznik do danego zastosowania, bez dokonywania bardziej skomplikowanych obliczeń, postanowiono podzielić poszczególne obwody ze względu na ich fizyczne właściwości związane z impedancją oraz innymi zjawiskami zachodzącymi w obwodach (wraz z uwzględnieniem ich skali) na różne kategorie. Poszczególnym typom obwodów przypisano więc odpowiednie kategorie obciążalności. Dzięki temu producenci przekaźników i styczników mogą wprost podawać wartości prądów jakie może przenieść dane urządzenie przy określonej kategorii obciążalności. Zgodnie z normą PN/IEC/EN 60967 oraz normą PN/IEC/EN 61095 wyróżniamy następujące kategorie obciążalności:
AC 1 – obciążenie rezystancyjne lub lekko indukcyjne
AC 2 – silniki indukcyjne pierścieniowe, rozruch i wyłączenie
AC 3 – uruchomienie i zatrzymanie przy pełnej prędkości obrotowej silnika klatkowego. Zmiana kierunku obrotowego tylko po zatrzymaniu silnika.
AC 4 – rozruch, zatrzymanie i zmiana kierunku obrotów silnika klatkowego. Impulsowanie i hamowanie prądem o przeciwnym kierunku.
AC 5a – sterowanie lampami wyładowczymi
AC 5b – łączenie żarówek
AC 6a – łączenie transformatorów
AC 6b – łączenie baterii kondensatorów
AC 7a – obciążenia o małej indukcyjności stosowane w gospodarstwie domowym i w podobnych zastosowaniach
AC 7b – obciążenia silnikowe stosowane w gospodarstwie domowym i podobnych zastosowaniach
AC 8a – sterowanie silników sprężarek hermetycznych czynnika chłodzącego z ręcznym przestawianiem wyzwalaczy przeciążeniowych
AC 8b – sterowanie silników sprężarek hermetycznych czynnika chłodzącego z samoczynnym przestawianiem wyzwalaczy przeciążeniowych
Dla każdego ze styczników (a także przekaźników) w dokumentacji technicznej znajdziemy wartości maksymalnego prądu z jakim może pracować urządzenie przy konkretnej kategorii obciążenia. Podobne dane znajdują się także często na obudowach styczników.
Żeby ułatwić dobór stycznika producenci często zawierają podstawowe parametry charakteryzujące urządzenie w symbolu urządzenia, np.:
Dużą wadą styczników jest ich głośna praca. W przypadku sterowania oświetleniem np. obiektów biurowych, gdzie mamy do czynienia z dużym obciążeniem (oświetlenie LED) oraz koniecznością zachowania cichej pracy urządzenia idealnie sprawdzą się przekaźniki przełączane w zerze. A czym jest taka konstrukcja?
Przekaźniki elektromagnetyczne przełączane w zerze
W poprzednim akapicie wspominaliśmy iż największy wpływ na degradację styków stycznika oraz przekaźnika mają zjawiska komutacyjne, a zwłaszcza prądy rozruchowe (np. prąd ładowania kondensatorów) oraz zjawisko zachowania ciągłości prądu i towarzyszący mu łuk prądowy podczas procesu wyłączania obciążeń indukcyjnościowych. A co gdyby komutacja (przełączenie) odbywało się zawsze przy zamkniętych lub otwartych stykach? Innymi słowy: co gdyby zwarcie styków przekaźnika zawsze odbywało się w momencie gdy sinusoida napięciowa przechodzi przez zero (napięcie wynosi 0V), a rozłączenie styków nastąpiło zawsze w momencie gdy sinusoida prądu przechodzi przez 0 (prąd 0A) ? W takim układzie przy rozłączeniu styków nie wystąpi zjawisko ciągnięcia łuku, a w przypadku załączenia zerowe napięcie zaczyna wzrastać pociągając za sobą wzrost wartości prądu, który przechodzi przez powstały wcześniej już zwarty styk zasilający obwód. Takie rozwiązanie jest najskuteczniejsze, ponieważ chroni styk przed skutkami prądów rozruchowych, przez co zwiększa możliwości maksymalnych mocy obciążeń dla różnych typów obciążenia. Jak wielka to różnica? Posłużmy się przykładem dwóch przekaźników bistabilnych: PBM-01 oraz PBM-31 produkcji firmy ZAMEL:
Dla obciążeń typu RLC PBM-01 posiada możliwość przeniesienia 750W, tymczasem PBM-31 2000W! Dla obciążeń LED PBM-32 potrafi przełączyć nawet 1000W ! Jak widać jest to zdecydowanie większa wartość. Dodatkowo technologia ta zapewnia brak zakłóceń EMC (komutacja zachodzi płynnie, nie gwałtownie), a dodatkowo zwiększa się trwałość przekaźnika. Zatem inwestycja w takie rozwiązanie zapewni większą trwałość instalacji, cichszą pracę oraz skuteczne sterowanie.
www.zamel.com
