Ограничители перенапряжений для контакторов — это специализированные модули, подключаемые параллельно катушке управления. Их практическая задача заключается в защите компонентов системы (ПЛК, реле и коммутационные модули), сохранении электромеханического ресурса самого контактора от разрушительного воздействия коммутационных перенапряжений, а также обеспечении электромагнитной совместимости. Применение ограничителя либо игнорируется, либо сопровождается вопросом «зачем?» из-за того, что он является отдельным компонентом, увеличивающим стоимость. В этой статье мы подробно разберем вопрос целесообразности применения устройства.
Теория коммутации. Откуда возникает проблема
С точки зрения теоретической электротехники, катушка контактора представляет собой индуктивную нагрузку с высокой добротностью, и, согласно закону коммутации, ток в индуктивности не может измениться мгновенно. Когда цепь катушки размыкается (механическими контактами реле или ключом транзистора в ПЛК), запасенная энергия магнитного поля также должна куда-то рассеяться.
При разрыве цепи напряжение на катушке лавинообразно нарастает, пока не пробивает воздушный промежуток или ток не находит другой путь. На практике мы наблюдаем рост амплитуды напряжения вплоть до нескольких киловольт (часто более 1-3 кВ) при скорости нарастания фронта в десятки киловольт в микросекунду – эффект такого броска приходит как сразу, так и проявляется длительно.
Что имеем в итоге:
- повреждение и пробой изоляции катушки;
- эрозию и повреждение управляющих контактов на ПЛК или реле, их сваривание и полный выход из строя;
- радиочастотные помехи, возникающие вследствие высоковольтного пика, способные «подвесить» или сбросить контроллер.
Ограничитель напряжения позволяет:
Обеспечить коммутационную стойкость управляющих элементов, или, проще говоря, спасти ПЛК и контакты реле. Ограничитель шунтирует энергию самоиндукции, переводя процесс коммутации из разряда «гашения дуги» в разряд простого размыкания цепи. Ток через контакт в момент размыкания снижается до пренебрежимо малых значений (или дуга гасится на безопасном уровне). Это позволяет управляющему элементу отработать заявленный производителем механический ресурс, не выходя из строя из-за электрической эрозии (подгорания) или сваривания.
Снизить коммутационные перенапряжения в питающей сети. Ограничители выступают в качестве локального фильтра, предотвращая распространение перенапряжений из цепи управления по сети 220/380В, предотвращая влияние на смежные аппараты и устройства. Для цепей с независимым питанием: предотвращает пробои импульсных источников питания вторичных цепей.
Подавлять электромагнитных помех. Установка RC-цепочки или варистора непосредственно на клеммы катушки (источник помехи) локализует высокочастотные колебания в минимальном контуре. Это предотвращает ложные срабатывания чувствительных входов контроллеров, сбои энкодеров и «шум» в цепях обратной связи, вызванный наведенными токами. Устраняя причину, мы добиваемся выполнения требований по электромагнитной совместимости (ЭМС) без экранирования всей проводки.
Техника и разновидности
Выбор типа ограничителя зависит от рода тока цепи управления и требуемого быстродействия. Существует обратно пропорциональная зависимость: чем сильнее мы гасим выброс напряжения, тем медленнее отпускает контактор. Это критично, так как затягивание времени отключения приводит к более длительному горению дуги на силовых контактах, а соответственно – снижение ресурса, подгорания и перегревы.
Для цепей переменного тока (AC)
- RC-фильтр (RC-цепочка, снаббер). Последовательно соединенные резистор (R) и конденсатор (C). Конденсатор ограничивает скорость нарастания напряжения du/dt, предоставляя обходной путь для тока, а резистор ограничивает ток разряда при следующем включении и демпфирует колебания. Такой подход сглаживает фронт перенапряжения, эффективно поглощая высокочастотные составляющие. Обеспечивает мягкое подавление без существенного замедления отпускания. Используется для катушек 24-480V AC.
- Варистор (MOV — Metal Oxide Varistor). Полупроводниковый резистор с нелинейной характеристикой, при превышении порогового напряжения сопротивление варистора падает с мегаом до единиц Ом, шунтируя выброс. Недостаток заключается в том, что устройство имеет ограниченный ресурс (деградирует после каждого срабатывания) и обладает более грубым "отсеканием" пика по сравнению с RC, хуже быстродействие, но и ниже цена.
Для цепей постоянного тока (DC)
- Шунтирующий диод (Freewheeling diode). Устанавливается встречно-параллельно катушке (катод к плюсу). В установившемся режиме он закрыт. При снятии питания ЭДС самоиндукции меняет полярность, открывает диод, и ток рециркулирует в контуре "катушка-диод", рассеиваясь на активном сопротивлении провода. Напряжение на катушке ограничивается прямым падением на диоде (около 1-2 В). Это идеально для защиты транзисторных выходов, но время отпускания якоря возрастает в 3-5 раз (как в примере с 30 ms до 170 ms), что приводит к сильному подгоранию силовых контактов.
- Диод + Стабилитрон (или резистор). Последовательно с диодом включают стабилитрон или резистор. Повышают напряжение, до которого заряжается катушка при выключении (например, до 24В или 100В вместо 1В). Это ускоряет спад тока и, соответственно, отпускание контактора, жертвуя частью защитных свойств для обеспечения быстродействия.
- Варистор также может быть использован для цепей постоянного тока. По быстродействию и эффективности он занимает промежуточное положение между простым диодом и цепью со стабилитроном – по сравнению с последним это прямая альтернатива, если критично время отпускания контактора. Ограничивая выброс до определенного уровня, варистор позволяет спадать току значительно быстрее, чем в случае с диодом. Явный минус – ограниченный ресурс.
Сведем выбор в простую таблицу:
Выбирайте обдуманно. Вся работа ограничителей направлена на защиту цепей и компонентов от ущерба, который может значительно превысить затраты на установку этого дополнительного изделия. Но, как водится, неочевидный и не мгновенный эффект вызывает вопрос «Когда нельзя обойтись совсем, а когда можно и не вкладываться?».
1. Обязательное применение: управление катушкой контакторов от электронных (полупроводниковых) выходов реле или ПЛК.
Выходы PLC (транзисторные PNP/NPN), твердотельные реле (SSR), частотные преобразователи (выходы «реле» там часто тоже твердотельные), логические модули – в зоне риска. Производители контроллеров прямо указывают в руководствах по монтажу необходимость шунтирования индуктивной нагрузки.
Причина: в отличие от механического контакта полупроводниковый ключ (транзистор, тиристор) имеет критический параметр - максимальное обратное напряжение. Пробой транзистора при выбросе ЭДС происходит за микросекунды. Стоимость замены выхода контроллера или модуля дискретного выхода несопоставимо выше стоимости RC-цепочки.
2. Крайне желательная рекомендация: системы с высокими требованиями к ЭМС
Шкафы управления станками с ЧПУ, медицинское оборудование, измерительные лаборатории, системы с аналоговыми датчиками (0-10В, 4-20 мА). Если система проходит сертификацию по ЭМС, то применение обязательно.
Причина: даже если управляющий элемент (реле) не выйдет из строя, создаваемый «звон» может нарушить работу АЦП-контроллера, привести к его перезагрузки или «зависанию».
3. Рекомендовано из практики: прямое питание цепей управления от силовой (первичной) цепи 220/380 В, когда подключаются мощные контакторы.
Причина: распространение перенапряжений по первичной сети
К этой же рекомендации можно отнести защиту источников питания вторичных цепей.
4. Не стоит пренебрегать: управление от «сухих» контактов маломощных реле или кнопок (переменный ток).
Под этот случай попадают маломощные промежуточные реле в шкафах, кнопочные посты, концевые выключатели, управляющие контакторами напрямую (AC-15 режим по МЭК 60947-5-1). Особенно в зоне риска:
- управление мощными контакторами свыше 95А;
- управление контакторами, работающие с высокой частотой включений (>15 циклов/час);
- управление концевиками, замена которых требует механической перенастройки.
Причина: механические контакты физически способны коммутировать индуктивную нагрузку. Но с каждым отключением часть металла переносится с одного контакта на другой из-за дуги. Ресурс контактов падает в разы. Если проектная надежность системы должна быть высокой (ответственные механизмы, труднодоступные места), установка ограничителя крайне желательна.
5. Можно не применять в случаях, если:
- нет риска для цепей управления и первичных цепей;
- нет критичных полупроводниковых и дорогостоящих элементов;
- режим работы – длительный или кратность включения невелика;
- нет требований по ЭМС;
- частные случаи (например, использование задержки размыкания в цепях постоянного тока с замедлением).
Рекомендации по применению в виде таблицы:
Ограничители перенапряжений доступны к заказу для всех линеек контакторов Systeme Electric (MC1E, MC1D, MC1G) и Dekraft (КМ-102).
Параметры для применения и номенклатура RC-фильтров (AC/DC) и варисторов доступны на нашем на сайте.
Будьте в курсе актуальных новостей из мира распределения электроэнергии – подписывайтесь на наши каналы Systeme Electric: Энергетика в Telegram и MAX.