中間繼電器可靠性與應用中問題分析
作者：佚名
2010-10-08 11:27
來源：不詳
摘要：闡述了中間繼電器的選型是切實提高控制系統(tǒng)運行可靠性的關鍵問題。結合控制系統(tǒng)的工作特性和工作環(huán)境及繼電器產(chǎn)品特性，論述了控制系統(tǒng)中中間繼電器的選型原則，并對中間繼電器應用中的問題作以分析。
關鍵詞：中間繼電器；可靠性；問題分析
1 概述
隨著我國工業(yè)生產(chǎn)過程自動化水平的不斷提高，生產(chǎn)工藝對自動控制系統(tǒng)的工作可靠性提出了更高的要求。其工作的可靠性不僅直接影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，而且直接關系到生產(chǎn)設備和操作人員的人身安全。在自動化控制系統(tǒng)中采用大量的中間繼電器，其工作的可靠性對控制系統(tǒng)工作的可靠性是至關重要的。如何恰當選擇、合理使用中間繼電器，是控制系統(tǒng)可靠工作的基礎，也是控制系統(tǒng)設計中的一個重要環(huán)節(jié)。切實提高小型中間繼電器固有可靠性，強化“小型中間繼電器”設計、制造、篩選工作，根據(jù)控制系統(tǒng)可靠性要求的原則，力求盡可能模擬各類控制系統(tǒng)的實際運行情況，來開發(fā)和研制新一代中間繼電器產(chǎn)品，是中間繼電器制造廠商面前的緊迫課題。
2 中間繼電器的選型
面對紛繁復雜的現(xiàn)代繼電器產(chǎn)品，如何合理選擇、正確使用，是控制系統(tǒng)開發(fā)、設計人員密切關注并且必須優(yōu)選解決的實際問題。要做到合理選擇，正確使用，就必須充分研究分析控制系統(tǒng)的實際使用條件與實際技術參數(shù)要求，按照“價值工程原則”，恰如其分地提出入選繼電器產(chǎn)品必須達到的技術性能要求。具體說來，大致可按下列要素逐條分析研究，確認所要求的等級以及量值范圍。
2.1 氣候應力作用要素
主要指溫度、濕度、大氣壓力(海拔高度)、沿海大氣(鹽霧腐蝕)、砂塵污染，化學氣氛和電磁干擾等要素。考慮控制系統(tǒng)在全國各地各行業(yè)及自然環(huán)境的普遍適用性，兼顧必須長年累月可靠運行的特殊性，裝置關鍵部位必須選用具有高絕緣、強抗電性能的全密封型(金屬罩密封或塑封型，金屬罩密封產(chǎn)品優(yōu)于塑封產(chǎn)品)中間繼電器產(chǎn)品。因為只有全密封繼電器才具有優(yōu)良的長期耐受惡劣環(huán)境性能、良好的電接觸穩(wěn)定、可靠性和切換負載能力(不受外部氣候環(huán)境影響)。
2.2 機械應力作用要素
主要指振動、沖擊、碰撞等應力作用要素。對控制系統(tǒng)主要考慮到抗地震應力作用、抗機械應力作用能力，宜選用采用平衡銜鐵機構的小型中間繼電器。
2.3 激勵線圈輸入?yún)⒘恳?br />
主要是指過激勵、欠激勵、低壓激勵與高壓輸出隔離、溫度變化影響、遠距離有線激勵、電磁干擾激勵等參量要素，這些都是確?？刂葡到y(tǒng)可靠運行必須認真考慮的因素。按中間繼電器所規(guī)定的激勵量激勵是確保它可靠、穩(wěn)定工作的必要條件。
2.4 觸點輸出(換接電路)參量要素
主要是指觸點負載性質(zhì)，如燈負載、容性負載、電機負載，電感器、螺線、接觸器(繼電器)線圈、扼流圈負載，阻性負載等；觸點負載量值(開路電壓量值、閉路電流量值)，如低電平負載、干電路負載、小電流負載、大電流負載等。
根據(jù)被繼電器驅動設備的負載性質(zhì)、負載容量選用合適的繼電器，是繼電器可靠工作的基本條件。繼電器的失效或可靠不可靠，主要指觸點能否完成所規(guī)定的切換電路功能。如切換的實際負載容量大于所選用繼電器規(guī)定的切換負載容量，繼電器是不可能可靠工作的。
3 中間繼電器應用中問題分析
3.1 絕緣耐壓
非密封或密封繼電器的引出端外露絕緣子長期受塵埃、水氣污染，導致其絕緣強度下降，在切換交流感性負載時的反峰電壓作用下，引起絕緣擊穿失效。針對繼電器絕緣固有特性，在選型時必須依據(jù)繼電器的以下技術特性：
3.1.1 足夠的爬電距離：一般要求≥3mm
3.1.2 足夠的絕緣強度：無電氣聯(lián)系的導體之間≥AC 2000V(工作AC 220V)，同組觸點之間≥AC1000V；
3.1.3 足夠的負載能力：DC 220V感性，5～40ms，≥50W；
3.1.4 長期耐受氣候應力的能力：線圈防霉斷、絕緣抗電水平長期穩(wěn)定可靠。
3.2 密封繼電器與非密封繼電器
部分工程技術人員認為非密封產(chǎn)品動作狀態(tài)直觀、失效分析方便，而全密封產(chǎn)品動作過程看不見摸不透，兩者的優(yōu)缺點如下：
非密封繼電器的優(yōu)點是：多采用拍合式銜鐵，結構簡單、制造工藝簡便、安裝維修方便，工作狀態(tài)直觀、便于失效分析、價格便宜。主要缺點是：工作可靠性對使用環(huán)境(氣候應力、機械應力)變化的敏感性強；線圈易受潮氣、雜質(zhì)污染產(chǎn)生電腐蝕、霉變等而失效。
全密封繼電器優(yōu)點是：多采用平衡旋轉式銜鐵，全密封結構隔離外部氣候應力作用，抗惡劣環(huán)境性能優(yōu)良；觸點電接觸性能穩(wěn)定可靠，線圈抗腐蝕、霉變，長期可靠性能優(yōu)良。缺點是：結構復雜，制造工藝特殊，失效分析困難，本身無法維修重復使用，成本、價格高。
因此，從長期耐氣候應力性能、抗惡劣環(huán)境性能與電接觸穩(wěn)定可靠性考慮，全密封繼電器明顯優(yōu)于非密封繼電器。針對可靠性要求高的航天、航空、軍用系列，主要選用金屬罩全密封繼電器產(chǎn)品。鑒于生產(chǎn)過程自動化控制系統(tǒng)要求長期穩(wěn)定可靠工作的特殊性，理應以選用全密封繼電器產(chǎn)品為主。
3.3 關于觸點的負載
繼電器觸點故障是繼電器失效的核心所在，當觸點實際切換的負載電壓小于起弧電壓，電流小于lA時，特別是中等電流(試驗標準為DC 28V，0.1A)、低電平(10～30mV，10～50mA)或干電路(指繼電器觸點先閉合，后接通毫伏微安級負載)條件下，觸點實際工作時的失效機理、失效方式與實際切換額定功率負載全然不同。正是為了滿足不同負載的不同要求，不同產(chǎn)品在設計、制造工藝、檢測、試驗要求也各不相同。因此，在實際選用繼電器產(chǎn)品時，一定不能錯誤地認為：繼電器的觸點開關適用于從零到規(guī)定額定值的所有負載，更不能認為通過觸點的實際負載比產(chǎn)品標準所規(guī)定的額定負載越小越可靠。例如：能可靠切換220V，10A負載的觸點，并不一定能可靠地切換10mA的實際負載，更不可用它去換接低電平或干電路負載。因此，對中等電流，低電平，干電路負載建議選用接觸可靠性優(yōu)良的金屬罩全密封產(chǎn)品。
3.4 關于電容負載
繼電器接點作為切換容性負載回路的自保接點，易引起接點粘接而不能釋放，其原因是由于電容器的充電過程類似于電容儲能點焊過程。進一步分析試驗表明：給22μF電容器充足DC 220V電壓后，再激勵繼電器使其觸點直接短路放電，10次之內(nèi)，純銀觸點即可產(chǎn)生焊接不放現(xiàn)象。
從理論上考慮，電容器的放電電流
i=-(UR)e-t/τ
式中 U—為電容器兩端電壓；
R—為放電回路電阻；
τ—為時間常數(shù)；
t—為放電時間。
由于R約等于觸點的接觸電阻，趨近于零。在開始放電瞬間i≈U/R→∞，也就是說：電容器所儲存的全部能量，在很短時間內(nèi)全部通過觸點泄放，從而直接導致點焊焊接失效。
因此，長的傳輸線、消除電磁干擾的濾波器、電源等都是強容性的。用于此類負載的繼電器應結合設備特性選用。
3.5 關于串聯(lián)供電激勵方式
不少用戶采用串聯(lián)分壓供電方式給繼電器線圈施加激勵量，驅動繼電器動作。這種激勵方式一般是不可取的。因繼電器的吸合時間主要取決于回路的時間常數(shù)τ，且τ=L/R。當串聯(lián)電阻R1給繼電器線圈供電時，R＝R1+R2，則有L/R2>L/(R1+R2)；顯然，串聯(lián)R1后使τ減小，繼電器的吸合時間加速。特別是當R1>>R2，電壓很高時，吸合時間將大大減少。運動部件的過快動作，將加大運動部件接合時的沖擊、碰撞、反彈，從而增大觸點回跳，加速機械磨損，降低觸點的負載能力與機械壽命。因此，串聯(lián)供電激勵方式改變了繼電器原設計所規(guī)定的正常工作狀態(tài)，一般是不可取的。當觸點回跳、機械磨損對實際使用不構成利害關系，且特別需要加快動作速度時，才可以采用提高激勵電壓或串聯(lián)電阻供電激勵方式。
3.6 繼電器線圈串聯(lián)，再用DC 220V電源去激勵，這種激勵方必須謹慎采用。
3.6.1 對相同類型、相同規(guī)格繼電器產(chǎn)品而言，由于各線圈的阻抗(含直流電阻與瞬時感抗)大體相同，差值較小，故采用串聯(lián)分壓激勵方式使用問題不大。實踐證明也是可行的。
3.6.2 對不同類型或不同規(guī)格的繼電器產(chǎn)品而言，由于不同繼電器線圈的阻抗不一致，且差值隨瞬時感抗的不同而相差很大，故串聯(lián)激勵瞬間，各繼電器線圈上所分得的激勵電壓(由瞬時分壓比決定)差值必然很大，勢必出現(xiàn)有的繼電器處于過壓激勵狀態(tài)，有的則處于欠壓激勵狀態(tài)，各繼電器觸點的開關時序與速度將會發(fā)生本質(zhì)性變化，必然會出現(xiàn)動作先、后、快、慢顛倒，開關不可靠等情況。
因此，不同類型、不同規(guī)格的繼電器線圈不宜采用串聯(lián)分壓激勵方式。
3.7 關于繼電器線圈并聯(lián)使用
在復雜的控制回路中，將2只(或多只)不同類型的繼電器(如接觸器K1、小型靈敏繼電器K2)線圈并聯(lián)使用的情況時有發(fā)生，在這種情況下，有可能產(chǎn)生K1延遲釋放、觸點斷弧能力下降，K2被反向重復激勵、觸點誤動作等實際問題。
在直流控制回路中，K1，K2線圈所貯存的磁能可能相差很大。當線圈電源失電后，K1(磁能大)的貯能將通過K2(磁能小)的線圈泄放，產(chǎn)生反向電流，從而導致K1釋放時間延長，觸點斷弧速度遲緩，觸點間燃弧時間延長；K2的釋放時間短，然后被反向泄放電流所激勵，甚至釋放后瞬間重復吸合，產(chǎn)生誤動作故障。避免上述因疏于研究而導致的不可靠現(xiàn)象。
關鍵詞：中間繼電器可靠性
關鍵詞：中間繼電器；可靠性；問題分析
1 概述
隨著我國工業(yè)生產(chǎn)過程自動化水平的不斷提高，生產(chǎn)工藝對自動控制系統(tǒng)的工作可靠性提出了更高的要求。其工作的可靠性不僅直接影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，而且直接關系到生產(chǎn)設備和操作人員的人身安全。在自動化控制系統(tǒng)中采用大量的中間繼電器，其工作的可靠性對控制系統(tǒng)工作的可靠性是至關重要的。如何恰當選擇、合理使用中間繼電器，是控制系統(tǒng)可靠工作的基礎，也是控制系統(tǒng)設計中的一個重要環(huán)節(jié)。切實提高小型中間繼電器固有可靠性，強化“小型中間繼電器”設計、制造、篩選工作，根據(jù)控制系統(tǒng)可靠性要求的原則，力求盡可能模擬各類控制系統(tǒng)的實際運行情況，來開發(fā)和研制新一代中間繼電器產(chǎn)品，是中間繼電器制造廠商面前的緊迫課題。
2 中間繼電器的選型
面對紛繁復雜的現(xiàn)代繼電器產(chǎn)品，如何合理選擇、正確使用，是控制系統(tǒng)開發(fā)、設計人員密切關注并且必須優(yōu)選解決的實際問題。要做到合理選擇，正確使用，就必須充分研究分析控制系統(tǒng)的實際使用條件與實際技術參數(shù)要求，按照“價值工程原則”，恰如其分地提出入選繼電器產(chǎn)品必須達到的技術性能要求。具體說來，大致可按下列要素逐條分析研究，確認所要求的等級以及量值范圍。
2.1 氣候應力作用要素
主要指溫度、濕度、大氣壓力(海拔高度)、沿海大氣(鹽霧腐蝕)、砂塵污染，化學氣氛和電磁干擾等要素。考慮控制系統(tǒng)在全國各地各行業(yè)及自然環(huán)境的普遍適用性，兼顧必須長年累月可靠運行的特殊性，裝置關鍵部位必須選用具有高絕緣、強抗電性能的全密封型(金屬罩密封或塑封型，金屬罩密封產(chǎn)品優(yōu)于塑封產(chǎn)品)中間繼電器產(chǎn)品。因為只有全密封繼電器才具有優(yōu)良的長期耐受惡劣環(huán)境性能、良好的電接觸穩(wěn)定、可靠性和切換負載能力(不受外部氣候環(huán)境影響)。
2.2 機械應力作用要素
主要指振動、沖擊、碰撞等應力作用要素。對控制系統(tǒng)主要考慮到抗地震應力作用、抗機械應力作用能力，宜選用采用平衡銜鐵機構的小型中間繼電器。
2.3 激勵線圈輸入?yún)⒘恳?br />
主要是指過激勵、欠激勵、低壓激勵與高壓輸出隔離、溫度變化影響、遠距離有線激勵、電磁干擾激勵等參量要素，這些都是確?？刂葡到y(tǒng)可靠運行必須認真考慮的因素。按中間繼電器所規(guī)定的激勵量激勵是確保它可靠、穩(wěn)定工作的必要條件。
2.4 觸點輸出(換接電路)參量要素
主要是指觸點負載性質(zhì)，如燈負載、容性負載、電機負載，電感器、螺線、接觸器(繼電器)線圈、扼流圈負載，阻性負載等；觸點負載量值(開路電壓量值、閉路電流量值)，如低電平負載、干電路負載、小電流負載、大電流負載等。
根據(jù)被繼電器驅動設備的負載性質(zhì)、負載容量選用合適的繼電器，是繼電器可靠工作的基本條件。繼電器的失效或可靠不可靠，主要指觸點能否完成所規(guī)定的切換電路功能。如切換的實際負載容量大于所選用繼電器規(guī)定的切換負載容量，繼電器是不可能可靠工作的。
3 中間繼電器應用中問題分析
3.1 絕緣耐壓
非密封或密封繼電器的引出端外露絕緣子長期受塵埃、水氣污染，導致其絕緣強度下降，在切換交流感性負載時的反峰電壓作用下，引起絕緣擊穿失效。針對繼電器絕緣固有特性，在選型時必須依據(jù)繼電器的以下技術特性：
3.1.1 足夠的爬電距離：一般要求≥3mm
3.1.2 足夠的絕緣強度：無電氣聯(lián)系的導體之間≥AC 2000V(工作AC 220V)，同組觸點之間≥AC1000V；
3.1.3 足夠的負載能力：DC 220V感性，5～40ms，≥50W；
3.1.4 長期耐受氣候應力的能力：線圈防霉斷、絕緣抗電水平長期穩(wěn)定可靠。
3.2 密封繼電器與非密封繼電器
部分工程技術人員認為非密封產(chǎn)品動作狀態(tài)直觀、失效分析方便，而全密封產(chǎn)品動作過程看不見摸不透，兩者的優(yōu)缺點如下：
非密封繼電器的優(yōu)點是：多采用拍合式銜鐵，結構簡單、制造工藝簡便、安裝維修方便，工作狀態(tài)直觀、便于失效分析、價格便宜。主要缺點是：工作可靠性對使用環(huán)境(氣候應力、機械應力)變化的敏感性強；線圈易受潮氣、雜質(zhì)污染產(chǎn)生電腐蝕、霉變等而失效。
全密封繼電器優(yōu)點是：多采用平衡旋轉式銜鐵，全密封結構隔離外部氣候應力作用，抗惡劣環(huán)境性能優(yōu)良；觸點電接觸性能穩(wěn)定可靠，線圈抗腐蝕、霉變，長期可靠性能優(yōu)良。缺點是：結構復雜，制造工藝特殊，失效分析困難，本身無法維修重復使用，成本、價格高。
因此，從長期耐氣候應力性能、抗惡劣環(huán)境性能與電接觸穩(wěn)定可靠性考慮，全密封繼電器明顯優(yōu)于非密封繼電器。針對可靠性要求高的航天、航空、軍用系列，主要選用金屬罩全密封繼電器產(chǎn)品。鑒于生產(chǎn)過程自動化控制系統(tǒng)要求長期穩(wěn)定可靠工作的特殊性，理應以選用全密封繼電器產(chǎn)品為主。
3.3 關于觸點的負載
繼電器觸點故障是繼電器失效的核心所在，當觸點實際切換的負載電壓小于起弧電壓，電流小于lA時，特別是中等電流(試驗標準為DC 28V，0.1A)、低電平(10～30mV，10～50mA)或干電路(指繼電器觸點先閉合，后接通毫伏微安級負載)條件下，觸點實際工作時的失效機理、失效方式與實際切換額定功率負載全然不同。正是為了滿足不同負載的不同要求，不同產(chǎn)品在設計、制造工藝、檢測、試驗要求也各不相同。因此，在實際選用繼電器產(chǎn)品時，一定不能錯誤地認為：繼電器的觸點開關適用于從零到規(guī)定額定值的所有負載，更不能認為通過觸點的實際負載比產(chǎn)品標準所規(guī)定的額定負載越小越可靠。例如：能可靠切換220V，10A負載的觸點，并不一定能可靠地切換10mA的實際負載，更不可用它去換接低電平或干電路負載。因此，對中等電流，低電平，干電路負載建議選用接觸可靠性優(yōu)良的金屬罩全密封產(chǎn)品。
3.4 關于電容負載
繼電器接點作為切換容性負載回路的自保接點，易引起接點粘接而不能釋放，其原因是由于電容器的充電過程類似于電容儲能點焊過程。進一步分析試驗表明：給22μF電容器充足DC 220V電壓后，再激勵繼電器使其觸點直接短路放電，10次之內(nèi)，純銀觸點即可產(chǎn)生焊接不放現(xiàn)象。
從理論上考慮，電容器的放電電流
i=-(UR)e-t/τ
式中 U—為電容器兩端電壓；
R—為放電回路電阻；
τ—為時間常數(shù)；
t—為放電時間。
由于R約等于觸點的接觸電阻，趨近于零。在開始放電瞬間i≈U/R→∞，也就是說：電容器所儲存的全部能量，在很短時間內(nèi)全部通過觸點泄放，從而直接導致點焊焊接失效。
因此，長的傳輸線、消除電磁干擾的濾波器、電源等都是強容性的。用于此類負載的繼電器應結合設備特性選用。
3.5 關于串聯(lián)供電激勵方式
不少用戶采用串聯(lián)分壓供電方式給繼電器線圈施加激勵量，驅動繼電器動作。這種激勵方式一般是不可取的。因繼電器的吸合時間主要取決于回路的時間常數(shù)τ，且τ=L/R。當串聯(lián)電阻R1給繼電器線圈供電時，R＝R1+R2，則有L/R2>L/(R1+R2)；顯然，串聯(lián)R1后使τ減小，繼電器的吸合時間加速。特別是當R1>>R2，電壓很高時，吸合時間將大大減少。運動部件的過快動作，將加大運動部件接合時的沖擊、碰撞、反彈，從而增大觸點回跳，加速機械磨損，降低觸點的負載能力與機械壽命。因此，串聯(lián)供電激勵方式改變了繼電器原設計所規(guī)定的正常工作狀態(tài)，一般是不可取的。當觸點回跳、機械磨損對實際使用不構成利害關系，且特別需要加快動作速度時，才可以采用提高激勵電壓或串聯(lián)電阻供電激勵方式。
3.6 繼電器線圈串聯(lián)，再用DC 220V電源去激勵，這種激勵方必須謹慎采用。
3.6.1 對相同類型、相同規(guī)格繼電器產(chǎn)品而言，由于各線圈的阻抗(含直流電阻與瞬時感抗)大體相同，差值較小，故采用串聯(lián)分壓激勵方式使用問題不大。實踐證明也是可行的。
3.6.2 對不同類型或不同規(guī)格的繼電器產(chǎn)品而言，由于不同繼電器線圈的阻抗不一致，且差值隨瞬時感抗的不同而相差很大，故串聯(lián)激勵瞬間，各繼電器線圈上所分得的激勵電壓(由瞬時分壓比決定)差值必然很大，勢必出現(xiàn)有的繼電器處于過壓激勵狀態(tài)，有的則處于欠壓激勵狀態(tài)，各繼電器觸點的開關時序與速度將會發(fā)生本質(zhì)性變化，必然會出現(xiàn)動作先、后、快、慢顛倒，開關不可靠等情況。
因此，不同類型、不同規(guī)格的繼電器線圈不宜采用串聯(lián)分壓激勵方式。
3.7 關于繼電器線圈并聯(lián)使用
在復雜的控制回路中，將2只(或多只)不同類型的繼電器(如接觸器K1、小型靈敏繼電器K2)線圈并聯(lián)使用的情況時有發(fā)生，在這種情況下，有可能產(chǎn)生K1延遲釋放、觸點斷弧能力下降，K2被反向重復激勵、觸點誤動作等實際問題。
在直流控制回路中，K1，K2線圈所貯存的磁能可能相差很大。當線圈電源失電后，K1(磁能大)的貯能將通過K2(磁能小)的線圈泄放，產(chǎn)生反向電流，從而導致K1釋放時間延長，觸點斷弧速度遲緩，觸點間燃弧時間延長；K2的釋放時間短，然后被反向泄放電流所激勵，甚至釋放后瞬間重復吸合，產(chǎn)生誤動作故障。避免上述因疏于研究而導致的不可靠現(xiàn)象。
關鍵詞：中間繼電器可靠性
