Vypínání relé a stykačů jako zdroj přepětí

 

 

 

Pro zajištění spolehlivé činnosti řídicích systémů je nezbytně nutné brát v potaz i podmínky elektromagnetické kompatibility (EMC – Electro-Magnetic Compatibility) mezi jednotlivými prvky instalace. Přestože jsou tyto podmínky pro standardní instalace poměrně měkké, při použití elektronických řídicích systémů, určitých metod měření a dalších aplikací požadavky na úroveň EMC rychle rostou. A právě přechodové jevy při spínání jsou častým zdrojem rušení.

 

Jednou z nejběžnějších příčin vzniku přepětí je spínání, nebo lépe řečeno vypínání indukčních zátěží. Je nutné si uvědomit, že výstupy elektronických řídicích systémů jsou většinou přímo připojeny právě ke svorkám cívek relé a stykačů. Při vypínání takovéto indukční zátěže se energie magnetického pole snaží zabránit přerušení toku proudu obvodem cívky a v obvodu cívky poté vznikají tlumené, přechodné oscilace napětí a proudu. S ohledem na vysoké hodnoty rezonanční impedance rozpojeného obvodu cívky může oscilující napětí dosáhnout maximální hodnoty až 10 kV s typickou strmostí náběhu 1 kV/μs. V důsledku rychlého vzniku vysoké hodnoty zotaveného napětí dochází k opětovnému zapalování oblouku mezi otevírajícími se kontakty do doby, než hodnota dielektrické pevnosti mezi kontakty překročí hodnotu zotaveného napětí a dojde ke konečnému uhasnutí oblouků mezi kontakty. Tyto přechodové jevy způsobují silné opalování kontaktů, a podstatně tak zkracují jejich životnost a současně ohrožují napěťově citlivé prvky připojené paralelně k cívkám relé a stykačů. Navíc jsou zdrojem závažných rušivých signálů, které se mohou kapacitní vazbou přenést i do dalších ovládacích obvodů a mohou zásadně ovlivňovat činnost řídicích systémů, popř. je i poškodit.

 

Proto se v praxi doporučuje vyloučit spínací přepětí přímo v místě jejich vzniku, tedy na svorkách cívek. Jakým způsobem lze zamezit vzniku spínacích přepětí? Nejjednodušším řešením je použití omezovačů přepětí. Obecně se pro tuto funkci používají:

Na obr. 1 je typický oscilogram průběhu spínacího přepětí při vypínání cívky pomocného stykače (230 V, 50 Hz, 10 V·A). Tento přechodový jev trvá přibližně 250 µ s a maximální amplituda kmitů dosahuje hodnoty asi 3,5 kV.

RC členy se převážně používají pro stykače s cívkami napájenými střídavým napětím. Mohou být ale použity i u cívek napájených stejnosměrným napětím.

 

Podstatným zvýšením kapacitance obvodu cívky dochází k omezení amplitudy přepěťových kmitů na dvoj- až trojnásobek ovládacího napětí při současném snížení strmosti vlny. Tím je vyloučen vznik opakovaných výbojů mezi kontakty. Napětí osciluje do hodnoty maximálně 400 V a tyto kmity jsou rychle utlumeny. Správně vybrané RC členy mají malý vliv na doby spínání stykačů, obecně je zpoždění vypnutí menší než 1 ms.

 

RC členy jsou zvlášť vhodné pro ochranu výstupů citlivých na rychlé změny napětí . du/dt (např. triaky). V případě použití kondenzátorů o větší kapacitě (>10 nF) se ale zvyšuje riziko, že může být nepříznivě ovlivněna funkce dolních propustí frekvenčních filtrů. Na obr. 2 je typický oscilogram průběhu spínacího přepětí na cívce stejného stykače jako na obr. 1, ale s připojeným RC členem.

Omezovače přepětí s diodami se používají pro stykače s cívkami napájenými stejnosměrným napětím. Při zapojení je bezpodmínečně nutné dodržet správnou polaritu zapojení. Spínací přepětí je omezeno maximální hodnotou 0,7 V.

 

Diody způsobují prodloužení doby vypínání na šesti- až devítinásobek. Této vlastnosti se v praxi využívá při vyloučení krátkodobých výpadků ovládacího napětí (v jednotkách ms). Na obr. 3 je typický oscilogram průběhu spínacího přepětí na cívce stejného stykače jako na obr. 1, ale s připojeným členem s nulovou diodou.

 

Nulové diody jsou v praxi použitelné pro stykače do výkonu 5,5 kW. Pro větší stykače se doporučuje použít kombinaci diod. V případě použití omezovače přepětí s kombinací diod (diody a Zenerovy diody) dojde k omezení spínacího přepětí na hodnotu do 10 V.

 

Použití kombinace diod vede k prodloužení doby vypínání na dvoj- až šestinásobek. Na obr. 4 je typický oscilogram průběhu spínacího přepětí na cívce stejného stykače jako na obr. 1, ale s připojeným členem s kombinací diod.

Varistory – napěťově závislé odpory – omezují maximální hodnotu přepětí tím, že se stanou vodivými po dosažení prahového napětí. Průběh přepětí je zde podobný jako u obvodu bez omezovacího členu, ale s mnohem kratší dobou trvání. Na rozdíl od RC členu neomezuje varistor strmost nárůstu napětí. Varistory mohou být použity pro stykače s cívkami napájenými střídavým i stejnosměrným napětím. Omezovače přepětí s varistory neovlivňují funkce dolních propustí frekvenčních filtrů, ale jsou méně vhodné pro ochranu výstupů citlivých na změnu du/dt.

 

Použití varistoru vede k prodloužení doby vypínání o asi 2 až 5 ms. Na obr. 5 je typický oscilogram průběhu spínacího přepětí na cívce stejného stykače jako na obr. 1, ale s připojeným vhodným varistorem.

 

Z uvedeného textu je zřejmé, že v podstatě jednoduchým a finančně nenáročným řešením lze účinně zabránit rušení a současně prodloužit životnost jednotlivých součástek. Stačí si uvědomit riziko a včas je vyloučit.

 

[Siemens: Switching, Protection and Distribution in Low-Voltage Network. Příručka, 1994.]

 

Obr. 2. Průběh spínacího přepětí při vypínání cívky pomocného stykače s cívkou 230 V, 50 Hz, 10 V·A s připojeným RC členem 110 Ω, 0,22 μF