Твердотельные реле

1. GDH – Вид твердотельного реле
   • GDH – однофазное твердотельное реле (10 – 120А)
   • GDM – однофазные твердотельные реле в корпусе промышленного исполнения (100 – 500А)
   • GTH – трехфазные твердотельные реле (10 – 120А)
   • GTR – реверсивные твердотельные реле (10 – 40А)
2. 40 – рабочий ток 40А (от 10 до 500А)
3. 48 – рабочее напряжение 24-480V AC, 38 – 24-380V AC, 23 – 5-220V DC
4. ZD3 – тип управляющего сигнала (способ коммутации)
   • VA – переменный резистор 470-560кОм/2Вт (фазовое управление)
   • LA – аналоговый сигнал 4-20мА (фазовое управление)
   • VD – аналоговый сигнал 0-10V DC (фазовое управление)
   • ZD – управление 10-30V DC (коммутация при переходе через ноль)
   • ZD3 – управление 3-32V DC (коммутация при переходе через ноль)
   • ZA2 – управление 70-280V AC (коммутация при переходе через ноль)
   • DD3 – управление 3-32V DC (коммутация напряжения постоянного тока)

Для обеспечения длительной надежной работы при выборе твердотельного реле надо руководствоваться коммутируемым напряжением и током.

Коммутируемое напряжение должно быть ниже максимально допустимого для реле с запасом. При выборе по току нагрузки необходимо оставлять запас по току: для резистивной нагрузки 30-40% от максимально допустимого тока устройства, а для индуктивной нагрузки минимальный запас может быть несколько сотен процентов, т.к. необходимо учитывать пусковой ток данной нагрузки.

Также одним из важнейших факторов надежной работы рeле является тепловой режим. Так как при работе твердотельных реле выделяется большое количество тепла, то их необходимо устанавливать на радиаторы охлаждения с использованием теплопроводящей пасты, а в некоторых случаях и устанавливать вентиляторы для принудительного охлаждения. При перегреве рeле есть большая вероятность выхода его из строя.

Немаловажным фактором для надежной работы твердотельных реле является его рабочая температура. При работе твердотельного реле из-за потерь на силовых элементах выделяется большое количество тепла, которое необходимо отводить с помощью радиаторов охлаждения. Заявленный номинальный ток реле способно коммутировать при его температуре не более 40°С. При увеличении температуры реле снижается его пропускная способность из расчета 20-25% на каждые 10°С. При температуре примерно 80°С пропускная способность по току сводится к нулю, и, как следствие, реле выходит из строя. На температурный режим реле могут влиять многие факторы: место установки, температура окружающей среды, циркуляция воздуха, нагрузка и др.

Зачем применяют вентилятор, ведь уже есть радиатор? Вентилятор применяют для облегчения теплового режима твердотельного реле, чтобы не устанавливать радиатор большего размера. С вентилятором возможно увеличение рассеиваемой мощности до 30%. Недостаток вентилятора – шум в работе, при отказе вентилятора твердотельное реле может перегреться и выйти из строя.
 

При выборе твердотельного реле и работе на индуктивную нагрузку – трансформатор может указывать какие-то большие “пусковые токи”. При включении трансформатора в сеть появляется начальный всплеск тока (т.н. пусковой ток). Реальный трансформатор имеет обмотки намотанные на магнитопроводе, который может насыщаться. При неблагоприятных условиях (ненагруженный трансформатор, значительное остаточное намагничивание и включение при нулевом напряжении при первом полупериоде тока того же знака, что и остаточный поток) происходит сильное насыщение магнитопровода. В результате насыщения индуктивность первичной обмотки резко падает и ее режим становится сходным с работой катушки без магнитопровода. Ток в этом случае зависит от мгновенного значения напряжения в момент включения, омического сопротивления первичной обмотки и внутреннего сопротивления питающей сети (зачастую оно превышает сопротивление первичной обмотки). Величина пускового тока в первый период может превышать величину номинального тока в 100 раз. Ток постепенно спадает до номинального, продолжительность процесса определяется постоянной времени конкретного трансформатора и достигает секунды. Чтобы уменьшить пусковой ток надо увеличивать число витков первичной обмотки и сечение магнитопровода.
Для уже имеющихся трансформаторов последовательно с первичной обмоткой включают терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления или ограничительный резистор, замыкаемый через 1 с контактами реле. Отличные результаты получаются при включении трансформатора через фазовый регулятор мощности Watt. Он позволяет не только медленно (до 22 секунд - регулируется) повышать выходное напряжение, но и регулировать его.

Минимальный ток, который коммутируют твердотельные реле переменного тока, ограничен лишь током утечки. Если используется маломощная нагрузка и ток через нее сравним с током утечки, то в выключенном состоянии реле на нагрузке может быть значительное напряжение. Во избежание этого параллельно нагрузке необходимо устанавливать шунтирующий резистор достаточной мощности, ток через который должен быть на порядок больше тока утечки.

Для защиты твердотельных реле рекомендуют ставить варисторы параллельно силовым клеммам. Варисторы применяют для защиты твердотельных реле от перенапряжений. При напряжении выше порогового - сопротивление варистора резко уменьшается, и вся мощность на нем рассеивается в виде тепла. При длительных воздействиях и/или больших перенапряжениях варистор может перегреться и даже разорваться. Если бы он был встроен в твердотельное реле, то при порче варистора пришлось бы менять реле. Варистор – дешевый компонент, поэтому проще и разумнее поставить варистор снаружи и заменять его.

Особенности использования твердотельных трехфазных реверсивных реле состоят в том, что твердотельные реле GTRxxxxxZD предназначены для включения, отключения и реверса электродвигателей переменного тока путем коммутации 3 фаз “переключением через ноль”. Управление осуществляется напряжением постоянного тока 10-30 Вольт (до 40 мА). Реле выпускаются на ток 10, 24 и 40 Ампер. Ток реле должен превышать пусковой ток электродвигателя (обычно указан на шильдике) с запасом. Для защиты ТР от перенапряжений параллельно силовым клеммам устанавливают варисторы. Реверс включать только после остановки электродвигателя! Для изменения направления вращения удобно подавать управляющее напряжение 3-позиционным переключателем (тумблером) с фиксацией в среднем положении (стоп).

Можно ли твердотельное реле переменного тока использовать для коммутации постоянного тока? Нет. Так использовать не получится. В твердотельных реле переменного тока для запирания тиристоров нужно поменять полярность приложенного напряжения. На переменном токе это получается автоматически каждый полупериод. При коммутации постоянного напряжения твердотельное реле откроется при подаче управляющего сигнала и останется в таком состоянии при снятии управляющего напряжения, то есть будет работать только на включение.

Пример выбора реле: Какое твердотельное реле выбрать на мощность 15 киловатт 220 Вольт? Твердотельное реле выбирается по нескольким параметрам. По рабочему напряжению, очевидно, это переменный ток, подходят все типы имеющихся твердотельных реле всех серий (могут работать до 480 Вольт). Следующий параметр - максимальный коммутируемый ток. Для Вашего случая ток будет (I= P/U): 15000/220 = 69 Ампер. К сожалению, Вы не указали, какую нагрузку хотите коммутировать. Для простого случая - резистивная нагрузка (ТЭН) подойдет твердотельное реле на 100 Ампер серии GDH10048. Для других нагрузок нужно брать ТР с большим запасом по току. Если собираетесь просто включать/выключать нагрузку, то нужно ТР с коммутацией через ноль. Эти реле могут управляться переменным напряжением 70-280В - серия GDH10048ZA2 или напряжением 3-32В постоянного тока - серия GDH10048ZD3. Если нужно фазовое регулирование, то серия GDH10038. Эти твердотельные реле могут управляться напряжением 0...10В постоянного тока – серия GDH10038VD, постоянным током 4...20 мА – серия GDH10038LA или с помощью переменного резистора - серия GDH10038VA. При коммутации таких токов твердотельное реле обязательно монтируют на радиаторе охлаждения. При работе с термоконтроллером или в составе других устройств управления вместо твердотельного реле лучше использовать регулятор мощности Watt.


Контакторы и твердотельные реле можно использовать совместно.  Основной недостаток контакторов и устройств с механическими контактами - дребезг и искрения контактов при переключениях, акустический шум. В твердотельных реле этих недостатков нет, т.к. коммутация осуществляется полупроводниковыми силовыми элементами. Достоинства контакторов – большая перегрузочная способность по току, чего нет у твердотельных реле. Контакторы и твердотельные реле можно использовать совместно. Для этого замыкающие контакты контакторов включают параллельно силовым клеммам ТР. Питание на контактор подают после подачи напряжения управления ТР (задержка до нескольких секунд, чтобы прошли пусковые токи), а отключают раньше. После включения ТР напряжение на силовых клеммах будет не более 1.5 Вольт, и замыкание контактов происходит “безболезненно”. После шунтирования контактами твердотельное реле фактически не используется. В такой “связке” контактора и ТР оба прибора могут служить очень долго, поскольку контакты разгружены при коммутации, а твердотельное реле защищено от перегрузок по току и напряжению. Если при работе возникнет перегрузка, то весь ток пойдет через контакты, сработает автомат защиты и ТР не пострадает. Недостаток – акустический шум при переключениях, некоторая сложность с управлением контактором и невысокое быстродействие. Заметим, что техническое решение с шунтирующим контактором применяется в устройствах плавного пуска.


Чем отличается регулятор мощности Watt от твердотельного реле. Регулятор мощности Watt – это универсальное законченное устройство, имеющее в своем составе силовые тиристоры, предохранители, радиатор, вентилятор, схему управления. Может регулировать выходное напряжение от различных управляющих сигналов – напряжение, ток, переменный резистор, имеет защиту от перегрева. Для твердотельного реле эти компоненты придется покупать или разрабатывать отдельно.