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【干貨】繼電器的失效模式分析及安全繼電器的使用必要性

發(fā)布時(shí)間：2019-07-31 責(zé)任編輯：lina

【導(dǎo)讀】繼電器是一種電子控制器件，通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中。實(shí)際上它是用較小的電流去控制較大電流的一種“ 自動(dòng)開關(guān) ”。

繼電器是一種電子控制器件，通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中。實(shí)際上它是用較小的電流去控制較大電流的一種“ 自動(dòng)開關(guān) ”。

因此，在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。電磁繼電器主要由線圈、鐵片、復(fù)位彈簧、可動(dòng)觸點(diǎn)及固定觸點(diǎn)等組成。常見電磁繼電器結(jié)構(gòu)見下圖。

電磁繼電器基本結(jié)構(gòu)

電磁繼電器利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行工作：

當(dāng)線圈通電后，線圈中心的鐵芯被磁化產(chǎn)生磁力與如圖所示鐵片吸合，鐵片通過杠桿作用推動(dòng)連接的可動(dòng)觸點(diǎn)動(dòng)作，此時(shí)常開觸點(diǎn)吸合，常閉觸點(diǎn)打開；

當(dāng)切斷線圈電流后，鐵芯立刻失去磁性，被壓縮的彈簧復(fù)位產(chǎn)生作用力使得鐵片回復(fù)到原來的位置，此時(shí)常開觸點(diǎn)打開，常閉觸點(diǎn)吸合。

繼電器失效模式分析及對(duì)策

在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，本應(yīng)該正常工作的繼電器由于種種特殊原因工作異常，造成的損失往往不可估量。所以在使用繼電器時(shí)我們應(yīng)該明晰的知道導(dǎo)致繼電器失效的具體原因，進(jìn)而采取相應(yīng)的解決措施最大程度地避免繼電器的失效，這可能會(huì)對(duì)保護(hù)人身、財(cái)產(chǎn)安全有著重大意義。

而對(duì)于繼電器來說，導(dǎo)致其工作異常的失效原因有多達(dá)二十種之多，由于具體使用環(huán)境及工作場(chǎng)合的不同繼電器的失效原因也不盡相同。本文僅列舉下述幾種常見的繼電器失效原因及解決對(duì)策以供大家參考。

1-1 觸點(diǎn)動(dòng)作異常

a. 觸點(diǎn)焊接：觸點(diǎn)表面通過大負(fù)載浪涌電流，加之高頻繁切換產(chǎn)生電弧熱。

對(duì)應(yīng)解決措施：

1. 不要使得電源電壓下降或線圈電壓下降引起觸點(diǎn)顫動(dòng)；

2. 注意開閉浪涌電流超過額定電流的負(fù)載；

3. 注意繼電器的高頻率切換使用。

產(chǎn)生觸點(diǎn)焊接的故障觸點(diǎn)-01

產(chǎn)生觸點(diǎn)焊接的故障觸點(diǎn)-02

b. 觸點(diǎn)材質(zhì)轉(zhuǎn)移：觸點(diǎn)（Ag沸點(diǎn)約為200°）在進(jìn)行直流負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生電弧熱（600°），導(dǎo)致觸點(diǎn)材質(zhì)熔化產(chǎn)生蒸發(fā)轉(zhuǎn)移。

對(duì)應(yīng)解決措施：

1. 通過串聯(lián)限流電阻降低負(fù)載浪涌電流；

2. 觸點(diǎn)部分并聯(lián)二極管吸收反電動(dòng)勢(shì)。

產(chǎn)生觸點(diǎn)黏連材質(zhì)轉(zhuǎn)移的故障觸點(diǎn)-01

產(chǎn)生觸點(diǎn)黏連材質(zhì)轉(zhuǎn)移的故障觸點(diǎn)-02

c. 碳化物導(dǎo)致觸點(diǎn)故障：容易在觸點(diǎn)連接電磁負(fù)載（電磁閥、接觸器和閥門）時(shí)產(chǎn)生，在繼電器觸點(diǎn)長(zhǎng)期開閉后，觸點(diǎn)開閉的浪涌引起周圍有機(jī)氣體的分解和灰塵的碳化，并附著在觸點(diǎn)上，繼而導(dǎo)致觸點(diǎn)接觸不良。

對(duì)應(yīng)解決措施：

1. 感性負(fù)載的反電動(dòng)勢(shì)大于電阻性負(fù)載，因此更易產(chǎn)生碳化。

2. 觸點(diǎn)部分并聯(lián)RC或二極管等浪涌吸收元件來吸收反電動(dòng)勢(shì)。

產(chǎn)生碳化物的故障觸點(diǎn)-01

產(chǎn)生碳化物的故障觸點(diǎn)-02

上述的三種觸點(diǎn)故障應(yīng)該說是我們?cè)谑褂美^電器過程中常見的幾種失效模式，從接觸可靠性及使用壽命、防止噪音方面考慮，建議安裝使用浪涌吸收元器件的觸點(diǎn)保護(hù)電路。而且，此時(shí)，負(fù)載的釋放時(shí)間會(huì)有若干延遲，使用之前請(qǐng)使用實(shí)際負(fù)載進(jìn)行確認(rèn)。此外，請(qǐng)注意，不正確使用會(huì)導(dǎo)致相反的效果。

以下為觸點(diǎn)保護(hù)電路的典型示例。

1-2 觸點(diǎn)保護(hù)電路

a. CR方式

① 在AC電源電路中，負(fù)載阻抗小于RC阻抗時(shí)可使用。

C：0.1~1Uf；

R：與負(fù)載相等的電阻值。

② 在AC、DC電源電路中均可使用。

C：0.1~1Uf；

R：與負(fù)載相等的電阻值。

b. 二極管方式

DC電源專用。請(qǐng)使用下列額定值的二極管。逆向耐受電壓：負(fù)載電路的電源電壓*10，正向電流：大于負(fù)載電流。

c. 壓敏電阻方式

AC、DC電源電路中均可使用。為得到最佳效果，在使用24V~48V電源電壓時(shí)，在負(fù)載端連接壓敏電阻；在100V~200V的電源電壓時(shí)，在觸點(diǎn)間連接壓敏電阻。

注：請(qǐng)勿使用以下觸點(diǎn)保護(hù)電路。

該保護(hù)電路在斷開觸點(diǎn)時(shí)消弧非常有效。但由于觸點(diǎn)斷開時(shí)電容器（C）會(huì)蓄電，在接通觸點(diǎn)時(shí)，電容器流出短路電流，因此，觸點(diǎn)容易出現(xiàn)熔接。

該保護(hù)電路在斷開觸點(diǎn)時(shí)對(duì)消弧非常有效。但觸點(diǎn)閉合時(shí)，蓄積的電流流向電容器時(shí)觸點(diǎn)容易出現(xiàn)熔接。

在實(shí)際的應(yīng)用中，幾乎所有的繼電器失效均是由于繼電器的頻繁開閉導(dǎo)致其達(dá)到壽命，或是帶動(dòng)大功率感性負(fù)載從而發(fā)生觸點(diǎn)焊接或碳化。即使有些已經(jīng)加裝了如二極管等的浪涌保護(hù)裝置，但仍然不能完全杜絕失效的發(fā)生。

因此，對(duì)于那些需要觸點(diǎn)能夠確確實(shí)實(shí)進(jìn)行開閉的控制要求，如：急停開關(guān)的信號(hào)通過中繼來切斷動(dòng)力源，等等，則需要采用帶有冗余+自檢功能的安全繼電器來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。那么對(duì)于帶冗余+自檢功能的安全繼電器究竟是怎么回事呢？接下來就安全繼電器的相關(guān)知識(shí)做以下介紹供大家參考。

安全繼電器的定義及特點(diǎn)

2-1 什么是安全繼電器？

安全繼電器是由多個(gè)繼電器與邏輯電路組合而成的一種模塊，是一種電路組成單元，其目的是要互補(bǔ)彼此在故障狀態(tài)下的缺陷，從而達(dá)到正確且低誤動(dòng)作的功能，降低其失誤和失效值，提高安全因素。完整點(diǎn)說，應(yīng)該叫成安全繼電器模塊。

由于不同的機(jī)械設(shè)備、不同的工藝環(huán)節(jié)有不同的安全風(fēng)險(xiǎn)，及不同的危險(xiǎn)等級(jí)。因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)了多種安全繼電器以保護(hù)不同等級(jí)機(jī)械設(shè)備，主要目的在于保護(hù)暴露在不同等級(jí)之危險(xiǎn)性的機(jī)械操作人員。

2-2 安全繼電器的特點(diǎn)

a.安全繼電器是一種電路模塊而不是一種電子元件；

b.安全繼電器有專門的顏色，一般為黃色或紅色；

c.安全繼電器由對(duì)于繼電器的要求不同以及其它邏輯電路的輔助設(shè)計(jì)，診斷覆蓋率很高，甚至有些可以達(dá)到99.9%，因此可以用在一些要求更高的場(chǎng)合，也有規(guī)定必須使用經(jīng)過認(rèn)證的安全繼電器才能滿足安全要求!

d.安全繼電器具有強(qiáng)制導(dǎo)向觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)（或者其他的保護(hù)方式），萬一發(fā)生觸點(diǎn)融焊現(xiàn)象時(shí)也能確保安全，所以說“安全繼電器”并不是“沒有故障的繼電器”，而是發(fā)生故障時(shí)做出有規(guī)則的動(dòng)作。

強(qiáng)制導(dǎo)向繼電器

在內(nèi)部強(qiáng)制導(dǎo)向桿的作用下，即使觸點(diǎn)發(fā)生熔結(jié)，也不會(huì)使得兩對(duì)觸點(diǎn)（NO/NC）同時(shí)出現(xiàn)ON現(xiàn)象。強(qiáng)制導(dǎo)向結(jié)構(gòu)是一種檢測(cè)觸點(diǎn)熔接故障的簡(jiǎn)單有效方式。根據(jù)EN 50205的要求，在NO觸點(diǎn)和NC觸點(diǎn)的獨(dú)立組合中，當(dāng)NO觸點(diǎn)熔接時(shí)，即使斷開繼電器線圈的電源（無勵(lì)磁），NC觸點(diǎn)也不閉合，確保0.5mm以上的觸點(diǎn)間隙。此外，當(dāng)NC觸點(diǎn)熔接時(shí)，即使啟動(dòng)繼電器線圈的電源（勵(lì)磁），NO觸點(diǎn)也不閉合，確保0.5mm以上的觸點(diǎn)間隙。