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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“ 自動開關(guān) ”。

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

因此，在電路中起著自動調(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連接的可動觸點(diǎn)動作，此時常開觸點(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策

在一些特殊應(yīng)用場合，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，這可能會對保護(hù)人身、財產(chǎn)安全有著重大意義。

而對于繼電器來說，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策以供大家參考。

1-1 觸點(diǎn)動作異常

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；

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)二極管吸收反電動勢。

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）時產(chǎn)生，在繼電器觸點(diǎn)長期開閉后，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。

對應(yīng)解決措施：

1. 感性負(fù)載的反電動勢大于電阻性負(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勢。

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)該說是我們在使用繼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，負(fù)載的釋放時間會有若干延遲，使用之前請使用實(shí)際負(fù)載進(jìn)行確認(rèn)。此外，請注意，不正確使用會導(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，在負(fù)載端連接壓敏電阻；在100V~200V的電源電壓時，在觸點(diǎn)間連接壓敏電阻。

注：請勿使用以下觸點(diǎn)保護(hù)電路。

該保護(hù)電路在斷開觸點(diǎn)時消弧非常有效。但由于觸點(diǎn)斷開時電容器（C）會蓄電，在接通觸點(diǎn)時，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)時對消弧非常有效。但觸點(diǎn)閉合時，蓄積的電流流向電容器時觸點(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)的信號通過中繼來切斷動力源，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，及不同的危險等級。因此在產(chǎn)品設(shè)計時，設(shè)計了多種安全繼電器以保護(hù)不同等級機(jī)械設(shè)備，主要目的在于保護(hù)暴露在不同等級之危險性的機(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.安全繼電器由對于繼電器的要求不同以及其它邏輯電路的輔助設(shè)計，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)生故障時做出有規(guī)則的動作。

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)，也不會使得兩對觸點(diǎn)（NO/NC）同時出現(xiàn)ON現(xiàn)象。強(qiáng)制導(dǎo)向結(jié)構(gòu)是一種檢測觸點(diǎn)熔接故障的簡單有效方式。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，即使斷開繼電器線圈的電源（無勵磁），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，即使啟動繼電器線圈的電源（勵磁），NO觸點(diǎn)也不閉合，確保0.5mm以上的觸點(diǎn)間隙。