Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 7/2017 vyšlo
tiskem 28. 6. 2017. V elektronické verzi na webu od 28. 7. 2017. 

Téma: Kabely, vodiče a kabelová technika; Konektory; Software; Značení a štítkování

Hlavní článek
Elektrická izolace a tepelná vodivost

Aktuality

Premiér navštívil hlavní sídlo provozovatele přenosové soustavy Předseda vlády Bohuslav Sobotka a ministr průmyslu a obchodu Jiří Havlíček se přímo na…

Generační změna ve skupině LAPP S účinností od 1. července 2017 odstoupila Ursula Ida Lapp, spoluzakladatelka skupiny…

Finálové kolo soutěže EBEC přivede do Brna 120 nejlepších inženýrů z celé Evropy Co vše je možné stihnout navrhnout, smontovat a následně odprezentovat během dvou dní? To…

Co si akce „Světlo v praxi“ klade za cíle V České republice se prvním rokem koná akce v oblasti světelné techniky, která chce…

Startuje hlasování veřejnosti o vítězích 9. ročníku ekologické soutěže E.ON Energy Globe V Praze byly 20. 6. 2017 slavnostně představeny nominované projekty 9. ročníku prestižní…

Nejnovější monopost týmu ČVUT eForce FEE Prague Formula se představil na Václavském náměstí Dne 16. června se v dolní části Václavského náměstí prezentoval tým Fakulty…

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