Полупроводникови контактори. Част 1: специфични особености; контактори за постояннотокови товари, еднофазни контактори

Oсновни сведения за полупроводниковите контактори (Solid State Contactors - SSC) са дадени в статията със същото наименование, публикувана в бр. 3/2011 г. на списание Инженеринг ревю. Благодарение на предимствата на SSC спрямо електромеханичните контактори и появата на полупроводникови прибори с подобрени параметри за реализацията им, техният относителен дял в световното производство продължава да нараства.

Неяснотата от реалната липса на съществена разлика между SSC и полупроводниковите релета (SSR) обаче не само остава, но и продължава да се задълбочава, тъй като те ползват едни и същи видове прибори и схеми за управление на товарите, а в редица случаи са еднакви и корпусите им. Същевременно, в много фирмени каталози има отделни части за SSC и SSR, в други – общи таблици с параметрите на двата вида, а не са редки случаите, когато в описанието на даден прибор едновременно се използват и двата термина. От гледна точка на конструктивното оформление и двете категории се реализират като самостоятелни прибори, такива за монтаж на панели (Panel Mount) и върху шина DIN (DIN Rail Mount). За монтаж като блокове в апаратури (Plug-In Mount) и върху печатни платки (PCB Mount) практически се използват само SSR. По принцип не би трябвало да се търси съществена разлика между SSC и SSR на основата на електрическите им параметри, тъй като има SSR с по-големи работни токове и напрежения от някои модели на SSC. От друга страна, не могат да се пренебрегват многогодишните традиции в електроапаратурата, според които „контактор” означава на първо място прибор за управляване на мощни електродвигатели и нагреватели, както и на някои постояннотокови товари (главно със съпротивителен характер).

оради това е интересна предлаганата от някои производители идея, че терминът SSC е подходящо да се използва, когато става въпрос за управляване на променливотокови електродвигатели и че именно това е разликата от SSR. В същото време други производители са приели, че SSC представляват SSR, монтирани върху радиатор.

Специфични особености
Многобройни са причините за важното място на SSC в съвременната електроапаратура. Те са без подвижни части, което рязко намалява вероятността от повреди, имат почти символична поддръжка и дълъг експлоатационен срок. Също заради липсата на подвижни части SSC работят безшумно, което е особено съществено за приложенията им в медицински устройства търговско оборудване. Поради липсата на мощни електрически контакти не съществуват познатите проблеми от периодичната поява на електрическа дъга. Благодарение на електрониката им SSC могат да включват товари в моментите на преминаване на мрежовото напрежение през нулата (Zero Voltage Turn-On) и да ги изключват при преминаване на тока през нулата (Zero Current Turn-Off), с което се създават минимални електрически смущения в мрежата.

В сравнение с класическите контактори, които задължително изискват значителен ток през бобината си, при SSC токът на задействане е много по-малък. Липсата на бобина има и предимството на значително по-малките създавани от SSC електромагнитни полета. Освен това благодарение на електрониката върху нормалната работа на SSC не влияе промяната на положението им. Същевременно са много по-малко уязвими от механични удари и вибрации, което предимство нараства при моделите със закрепване на свързващите проводници чрез пружинни контакти (Spring-Type Connection). Времената на включване и изключване на товари чрез SSC са няколко порядъка по-малки в сравнение с електромеханичните контактори и обикновено не надхвърлят 100ms. Към предимствата на SSC трябва да се прибави и по-малкото им тегло.

Задействането на SSC става чрез управляващи сигнали, за което има няколко възможности. Първата е ползването на постоянно напрежение VC (DC Control), най-често в международно приетите граници 0-10 V, но и 0-5 V и 1-5 V. Това има важното предимство, че лесно може да се преобразува в управление чрез цифрови сигнали, например генерирани от микроконтролер, т.е. SSC лесно да се използват в автоматизирани системи. Като негова разновидност е управлението чрез постоянен ток в популярния диапазон 4-20 mA, но и с 0-20 mA и 12-20 mA. Втората възможност за управление е чрез променливото напрежение VC (AC Control), което обикновено е част от мрежовото напрежение, тъй като схемата за управление е най-проста и всеки модел може да е с няколко разновидности за различни VC. Друго негово предимство е възможността на работа на SSC с различни сензори чрез прибавяне на допълнителен електронен блок. Третата възможност е чрез VC под формата на импулси с няколко разновидности. Класическата е чрез широчинноимпулсна модулация (PWM), известно като фазово регулиране на мощността върху товара. Постепенно нараства броят на моделите с вграден микроконтролер или микропроцесор за това регулиране, както и на такива с управление чрез някой от популярните интерфейси (най-често RS484 и RS232 и с нарастващо използване на USB). Постепенно нараства популярността на регулирането на мощността върху товара чрез пакети от импулси с променящ се чрез програмиране брой (Burst Firing Mode).

Към особеностите трябва да се прибави, че все по-масови стават модели, на чийто лицев панел има съвременни индикатори (най-често LED) на работния режим, например напрежението, тока и мощността върху товара. В чисто практически аспект е полезно да се спомене и съществуването на модели, в чийто проспект е отбелязано, че над определена надморска височина максималният ток през товара намалява с нейното нарастване, например над 1000 m с 2% на всеки 100 m.

Съпротивлението на ползваните като затворен ключ в SSC полупроводникови прибори е значително по-голямо от това на заместваните електрически контакти, което води до пад на напрежение върху тях не по-малък от 1 V и разсейвана мощност върху SSC от десетки W. Поради това те се нуждаят от радиатори, които могат да бъдат вградени или външни. Първият тип са по-масово използваните, а вторият се предпочитат, когато SSC може да се монтира върху съществуваща метална плоскост на устройство. Много модели са с вграден вентилатор за осигуряване на нормалното им охлаждане. За намаляването на този недостатък е патентованата структура Hybrid Solid State Contactor, произвежданите на чиято основа прибори са известни като RHP Contactor. Разсейваната върху тях мощност е значително по-малка в сравнение с SSC и затова моделите обикновено са без радиатор.

Сред съществените специфични особености на SSC е възможността им за нормална работа при наличие на външни електромагнитни полета (Electromagnetic Compatibility). Тя се отнася за 4 вида въздействия – от електростатични разряди (EMC Immunity), към електрически преходни процеси (Electrical Fast Transient Immunity), към кратки електрически импулси (Electrical Surge Immunity) и електромагнитни вълни (EMC Emission), за всяко от които в техническата документация са дадени максимално допустимите стойности. При недопустимо големи смущения, постъпващи по електрическата мрежа, между всяка от нейните фази и нулата се свързва паралелна RC-група с препоръчвани в документацията стойности на елементите.
Разнообразието на приложенията на SSC може да се обобщи в следните три групи.
• Управление на задвижвания (Motion Control), сред които лифтове, асансьори, повдигащи машини, конвейери, вентилатори и множество други индустриални приложения, например задействане на соленоиди за регулиране на вентили за течности и газове.
• Управление на нагреватели (Heating Control), типични примери за което са климатици, професионални машини за приготвяне на храна, автомати за изработка на пластмасови изделия и др.
• Регулиране на осветлението - главно в търговски обекти, производствени помещения, спортни зали, театри и кина.

Контактори за постояннотокови товари
Относителният дял на тези контактори (Solid State DC Contactor) е твърде малък в сравнение с SSC за променливотокови товари и някои производители ги приемат като морално остарели. Основните причини са ограничените приложения на мощните постояннотокови товари и ползването на SSR за управление на такива с по-малки мощности. Основната схема на свързването им е на фиг. 1, като Ld е товарът, D е диод за защита от нежелани отскоци на напреженията върху Ld при индуктивен негов характер и от неправилна полярност на захранващото напрежение U. Мощността на товара може да е до няколко десетки kW при U до около 1 kV и ток през товара до около 200 А.

Основните приложения са за захранване на електродвигатели, електромагнити и бобини, на нагреватели и електрически лампи, за задействане на електромеханични съединители. Нараства използването за управление на фотоволтаични панели с типични напрежения до 1 kV и токове няколко десетки А. В този случай за ключове обикновено се използват IGBT.

Контактори за еднофазни товари
В каталозите ползваните за тях термини са Single-Phase Contactor, Single-Phase Power Contactor и Single-Pole Type Contactor. По принцип за включване и изключване на променливотокови товари към електрическата мрежа съществуват няколко начина. Превключването в нулата (Zero-Point Switching) се използва основно за нагреватели и други товари със съпротивителен характер и означава да се прави в моментите на едновременно преминаване на мрежовото напрежение и тока в товара през нулата. Така контакторите създават малки смущения в мрежата. Вторият начин на превключване (Instantaneous Switching) по принцип е предназначен за товари с индуктивен характер и наименованието му означава превключване в произволен момент от синусоидата на мрежовото напрежение (използват се и термините Asynchronous Switching и Random-Turn-On Switching). Независимо от тази разлика в управляването на товари със съпротивителен и индуктивен характер не са рядкост производителите, които предлагат SSC за товари със съпротивителен характер и с варианти за превключване в произволен момент.

За специфични приложения, където създаваните от контакторите електрически смущения трябва да са минимални, се използват малошумящи контактори (Low Noise Contactor) с ток до около 16 А. Те съдържат допълнителни филтри и са в съответствие с ограниченията от Class B на европейския стандарт EN60947-4-3. Също като специфичен тип са и контакторите със защита от късо съединение в товара (Short-circuit-proof SSC, Short-circuit-resistant SSC), осигурявана чрез прибавяне към SSC на миниатюрен предпазител с хистерезис (Miniature Circuit Breaker, MCB) и имащ обикновено тип B характеристика. Токът на задействане на прекъсвача обикновено е в съответствие с някой от международните стандарти, например UL508 определя задействане при ток 100 kA. Преди да се вземе решение за ползването на такъв тип контактор за защита, трябва внимателно да се прочете предлаганата от производителите на SSC допълнителна литература, тъй като по принцип времето на задействане на защитата зависи не само от прекъсвача, но и от електрическата мрежа. Тук само ще бъде отбелязано, че най-важно е омичното съпротивление на проводниците между товара и SSC да не надхвърля определена стойност. Например в подробни каталози се отбелязва, че комбинация от дадени SSC и MCB изисква определено сечение на проводниците и фиксирана максимална тяхна дължина между SSC и товара. Вместо МСВ на практика се използват и класически предпазители с достатъчно бързодействие, изискванията за чийто избор обикновено са изяснени в каталога на SSC.

Статията продължава в следващия брой на сп. Инженеринг ревю