Phoenix Contact supplerer koblingsreleserien PLC-Interface med hybridmoduler

Kombinasjon av elektromekaniske og solid-state-releer

Elektromekaniske og solid-state-releer har både fordeler og ulemper. Det er ikke for ingenting at koblingsreleserien PLC-Interface fra Phoenix Contact er satt sammen av elektromekaniske og solid-state-releer. Hybridmoduler, som er utviklet spesielt for DC-anvendelser, forener nå fordelene ved begge teknologier.

Med verdens første, 6,2 mm smale Interfacemodul for signalutveksling og en pluggbar koblingsenhet etablerte koblingsreleserien PLC-Interface en ny markedsstandard allerede i 1997, og denne består fremdeles. Siden den gang har mange tekniske videreutviklinger, nye egenskaper og funksjoner kommet til. I tillegg til flere forskjellige produkter for standardanvendelser, der for eksempel 24 V signaler må kobles mellom felten og kontrolleren, finnes det spesialvarianter som tar seg av krevende oppgaver. Kombinert med logikkrelesystemet PLC logic som Stand-Alone-Controller overtar de modulære skivene enkle automatiseringsoppgaver på minimal plass.

Multitalentet til lav pris …

Elektromekaniske releer er klassiske, veletablerte og uunnværlige komponenter for automatiseringsteknikk. Utviklingen de senere årene viser at også de elektroniske Solid-state-releene spiller en stadig større rolle, og opplever vekst tilsvarende den man ser hos motstykkene med mekanisk kobling. Interfacemodulene benyttes på forskjellige områder. Kontakter med gullsjikt kobler mindre signaler på lave milliampereområder absolutt pålitelig. Releet med effektkontakter tar seg av middels strøm opp til tosifret ampereområde.

Bortsett fra lavere kontaktmotstand og tilsvarende tap har den mekaniske løsningen en fordel i form av lavere pris sammenlignet med anvendelser med Solid-state-relé. På kontakt- eller utgangssiden er elektromekaniske releer virkelige «jack-of-all-trades»: AC- og DC-spenning og blandet spenning kobles helt problemfritt, uten at polariteten må hensyntas. For at levetiden til et kontaktsystem ikke skal reduseres i for stor grad, er det, spesielt ved DC-applikasjoner, viktig å hensynta spesifikasjonene, for slik å redusere koblingseffekten i form av en lastgrensekurve, og i størst mulig grad benytte en egnet kontaktbeskyttelseskobling.

… men med kortere levetid

Det er likevel ikke slik at elektromekaniske releer kun har fordeler sammenlignet med elektroniske løsninger. Den mekaniske konstruksjonen fører til større tilbøyelighet til friksjoner. Overalt der deler er i bevegelse, oppstår slitasje. Avhengig av last kan inn- og utkoblingsprosedyren utgjøre en utfordring for kontaktsystemet. En faktor som i stor grad bidrar til rask aldring av kontaktoverflater, er lysbuen, som blant annet kan føre til kontaktsveising. Slike fenomener kan føre til feil og dermed til stillstand i applikasjonen.

Når en elektrisk kontakt lukker, støter kontaktoverflatene sammen. Grunnet det elastiske tilbakestøtet åpner og lukker kontakten uønsket flere ganger (kontaktprelling). Denne gjentatte kontakten betyr gjentagende inn- og utkobling av strøm. På denne måten kobles spesielt innkoblingsstrøm fra kapasitive forbrukere, som er mange ganger sterkere enn sin egentlige nominelle strøm, flere ganger. Alt dette gjør seg merkbart i form av redusert levetid. For å forhindre stillstand må releene skiftes ofte, noe som innebærer utvidet bruk av personell.

Spesialister på høye koblingsfrekvenser over lang tid

Sammenlignet med den mekaniske varianten har Solid-state-releer alltid en unik polaritet, og kan brukes for DC- eller AC-spenning som skal kobles. De er dermed ikke universelle. Hvis høye koblingsfrekvenser er nødvendig for ren signaloverføring over lang tid, anbefales derfor et Solid-state-relé. Fordi strømkretsen ikke lukkes med bevegelige deler, men rent elektronisk, spiller kontaktprelling, lysbuer og dermed kortere levetid i den sammenheng, ingen rolle. Og på grunn av sin korte overlastkapasitet tåler de koblende halvlederne den ovennevnte innkoblingsstrømmen uten skader. På den annen side er disse høyere tapene i koblet tilstand og resulterende derating, en ulempe. Ved elektroniske løsninger begrenser dette den maksimale strømflyten avhengig av omgivelsestemperatur, i større grad enn det som er tilfelle ved relekontakter.

Hvilket koblingskonsept er nå det beste?
Som det fremgår, må fordelene og ulempene ved begge løsninger for kobling av last avveies nøye, avhengig av applikasjonen. På mange områder utfyller de to variantene hverandre likevel godt. De tekniske ulempene ved det ene systemet utjevnes av det andre, og omvendt. Slik får man en hensiktsmessig kombinasjon av elektromekanisk og rent elektrisk kobling. Avhengig av type last kan inn- og utkoblingsmomentet i mange tilfeller føre til for tidlig aldring av relekontaktene. Spesielt ved DC-anvendelser forekommer det stående lysbuer, da det, i motsetning til AC-spenning, ikke følger automatisk slukking som følge av nullgjennomgang av spenningen.

Inn- og utkobling etter fast definert mønster

Hybride koblingskonsepter med relé og halvleder åpner for nye muligheter: Begge koblingselementer kan aktiveres uavhengig av hverandre i en parallell kobling. Her er et optimalt tidsmessig samspill helt nødvendig under aktivering og deaktivering. I den forbindelse kobles koblingselementene inn og ut etter et definert mønster. En Controller med tilsvarende Firmware overtar koordineringsoppgavene.

Allerede i flere år har produktserien PLC-Interface hatt en hybridkobling spesielt for AC-last. I denne løsningen agerer relekontakten og en Triac tidsmessig forskjøvet fra hverandre, og kan slik utspille sine individuelle styrker:
I første trinn kobles hybridenhetene til en permanent 24 V DC forsyning. Modulen blir deretter aktivert av et ytterligere inngangsstyresignal. I innkoblingsøyeblikket er i første omgang kun halvlederen involvert, som betyr at problematisk innkoblingsstrøm kun kan flyte langs denne komponentens strekning. Lasten forsynes. Relekontakten er ikke involvert, men er i første omgang kun i hvilestilling. Erfaring viser at innkoblingsstrømmen avtar etter kort tid, og spenningen gjennom den gjennomkoblede halvlederen har nådd sitt minimum. Først i dette øyeblikket lukkes koblingskontakten, som ligger parallelt med halvlederen, og overtar en dellaststrøm, men ved lav spenning. Straks kontakten er trygt lukket etter prellefasen, blir halvlederbanen lukket.

Antall koblingsforløp i releet som begrensende variabel

Dermed reduserer den lavohmske relekontakten tapseffekten som oppstår. Hvis lasten skal kobles ut, må spenningen som vanlig kobles ut på styreinngangen. Hvis releet nå hadde åpnet umiddelbart, ville det ved en AC-spenning, avhengig av høyde og fasevinkel, ha oppstått en lysbue, som likevel ville ha sluknet av seg selv senest ved neste nullgjennomgang. Slike gjentagende hendelser over tid påvirker nødvendigvis releenes levetid. Før det går tilbake til hviletilstand vil halvlederen dermed først kobles inn igjen. Begge baner er derfor aktive igjen. Først deretter åpner den elektromekaniske kontakten. Fordi spenningen gjennom kontakten defineres gjennom den parallelle, lavohmske halvlederen, vil ingen lysbuer bli dannet. Halvlederen kobler også ut kort tid etterpå, lasten er koblet fra forsyningen.

Dette koblingskonseptet gjør at levetiden til det hybride systemet forlenges betraktelig. Her blir maksimalt antall mekaniske koblingsforløp i releet, som ligger mellom 20 og 30 millioner sykluser, en begrensende faktor.

Utfordring ved manglende nullgjennomgang av spenningen ved kobling av likespenning (DC) oppstår det uforholdsmessig høyere krav til koblingsutstyr. Utfordringen ved DC resulterer av manglende nullgjennomgang av spenningen. Hvis en kontakt som var lukket, åpnes igjen, oppstår en lysbue. Hvis verdiparet med strøm og spenning har tilstrekkelig størrelse, vil luftgapet, som har en størrelse på kun noen få tiendedeler av en millimeter, bli lasket med en kontinuerlig lysbue. Flere slike prosesser, eller selv en enkeltstående hendelse, betyr nødvendigvis at kontakten får kortere levetid.

Hvis last som ligger over lastgrensekurven til et standardrelé, skal kobles på DC-spenningsforsyninger, må brukeren finne en adekvat løsning. Releer som allerede finnes for slike brukstilfeller, tar alltid opp mye plass på DIN-skinnen. I slike releer er to N/O-er ofte seriekoblet for å danne en større samlet luftspalte, slik at lysbuen avkuttes. Videre brukes det blåsemagneter for å tvinge lysbuen ut av kontaktsonen med permanentmagnetfeltet sitt, for slik å skape bedre utkoblingsegenskaper. Byggbredden til tilsvarende releer er opptil 40 mm, med sokkel kreves enda mer plass. Erfaringer viser at man ved høyere spenning på for eksempel 220 V DC og med en ohmsk last kan redusere levetiden slik at den ligger mange titalls potenser under det som er tilfellet for et hybridkonsept.

Det være seg inn- og utkobling av DC/DC-omformere, strømforsyninger på likespenningsnett eller batterispenning: Problemet med lysbuer viser seg på lignende måte i forskjellige applikasjoner. Hver millimeter på DIN-skinnen koster penger. Derfor har utviklerne tatt det velkjente koblingskonseptet i AC-hybridmoduler et skritt videre for DC-applikasjoner. Her spiller en halvleder som er egnet for denne applikasjonen, og som også er koblet parallelt med relekontakten, en sentral rolle for sikker kobling. Prinsippet med inn- og utkobling av begge baner koordineres på samme måte som beskrevet ovenfor.

Beskyttelseskrets på lasten

Bruk av hybridteknologi åpner nå for en koblingseffekt på 220 V DC ved 10 A på en byggbredde på kun 14 mm. Selv om dette er under halvparten av byggbredden til vanlige løsninger, forlenges levetiden betraktelig. I enkeltanordninger kan enhetene, som driftes med en taktrate på 1 Hz, koble og føre strøm ved omgivelsestemperaturer opptil 60 °C. I blokkanordning må en lineær derating på -0,3 A/K hensyntas fra 40 °C og 100 % innkoblingsvarighet. Med kun en halvleder uten parallell relekontakt ville et mye høyere deratingnivå være nødvendig, dette som følge av et konstant effekttap.

Påliteligheten til dette systemet er verifisert gjennom omfattende laboratorietester med forskjellig last. Likevel bør det fortsatt benyttes en ytterligere beskyttelseskrets på lasten - for eksempel ved utkobling av middels og sterk induktiv last på likespenning. Hvis den magnetisk lagrede energien i spolen ikke omformes kontrollert via en tilsvarende beskyttelseskrets - som for eksempel en friløpsdiode, en suppressordiode eller en varistor - vil det bli generert en selvinduksjonsspenning som til tider kan være meget høy. Hvis det ikke brukes en friløpsdiode, men for eksempel en varistor, må denne ha et beskyttelsesnivå som er konstruert for både lastens driftsdata og på selvinduksjonsspenningen som oppstår. På denne måten kan også høyere energi brytes ned sikkert og kontrollert.

Generelt er hybride løsninger de rent elektromekaniske og elektriske tilnærmingene overlegne når det gjelder pålitelighet, levetid, koblingsegenskaper og plassbehov. De viser alle sine tekniske fordeler i applikasjoner der tilgjengelighet har høy prioritet og nedetider må unngås i alle tilfeller. Som typiske bruksområder for hybridenhetene kan nevnes kraftverk, prosessteknikk og vindanlegg. Releene, som er designet spesielt for bruk med DC, supplerer hybridreleenes PLC-Interface-portefølje på en hensiktsmessig måte.

Redusert kablingsarbeid

Som alle andre produkter i serien PLC-Interface har hybridløsningene et gjennomgående huskonsept. Det forenkler installeringen, og gjør det mulig å bruke tilgjengelig tilbehør som endeløslasker, matemoduler, gruppeskilleplater eller merkemateriell, noe som igjen reduserer kablingsarbeidet. PT-tilkoblingsteknikken tilrettelegger som eksempel bruk med massive og flertrådede ledere med endehylse, og da fra et tilkoblingstverrsnitt på 0,34 mm2.