Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 11/2016 vyšlo tiskem
7. 11. 2016. V elektronické verzi na webu od 1. 12. 2016. 

Téma: Rozváděče a rozváděčová technika; Točivé stroje a výkonová elektronika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu

Aktuality

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Češi v domácnostech více svítí a experimentují se světlem, doma mají přes 48 milionů svítidel Češi začali v domácnostech více svítit a snaží se vytvořit lepší světelné podmínky:…

Více aktualit

Vypínání relé a stykačů jako zdroj přepětí

Snadné řešení problému s výrobky společnosti Siemens
 
Ing. Zdeněk Gec, Siemens, s. r. o.
 
V odborných časopisech lze nalézt mnoho článků řešících otázky ochrany před účinky přepětí. Tyto články se převážně zabývají jen problematikou atmosférických přepětí. Dalším a poněkud neprávem opomíjeným zdrojem přepětí jsou přechodové jevy při spínání. Spínací přepětí sice nejsou doprovázena tak efektními úkazy, jakými jsou např. bleskové výboje, ale jejich důsledky mohou být stejně závažné. V tomto příspěvku je věnována pozornost pouze úzké části problematiky spínacích přepětí, a sice přepětím, která vznikají při vypínání ovládacích cívek relé a stykačů.
 
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:
  • RC členy,
  • diody anebo kombinace diod,
  • varistory.
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.
 

Omezovače přepětí s RC členy

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

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.
 

Omezovače přepětí s varistory

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. 1. Průběh spínacího přepětí při vypínání cívky pomocného stykače s cívkou 230 V, 50 Hz, 10 V·A
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
Obr. 3. Průběh spínacího přepětí při vypínání cívky pomocného stykače s cívkou 24 V DC, 3 W s připojenou nulovou diodou
Obr. 4. Průběh spínacího přepětí při vypínání cívky pomocného stykače s cívkou 24 V DC, 3 W s připojenou kombinací diod
Obr. 5. Průběh spínacího přepětí při vypínání cívky pomocného stykače s cívkou 230 V, 50 Hz, 10 V·A s připojeným
varistorem 275 V (omezení přepětí do asi 3 ms)
Obr. 6. Stykače značky Siemens řady 3RT10 velikosti S00 a S0 s osazenými omezovači přepětí a detail bloku varistoru
 
Tab. 1. Přehled výhod a nevýhod použití jednotlivých typů omezovacích členů