为工业应用选择高安全性功率继电器

作者：贸泽电子 Mark Patrick

为工业应用选择合适的继电器需要深思熟虑。选择这些产品的常用考虑因素包括检查所需的电压和电流，以及继电器最大可用空间等方面，而且要注意任何特定组件的间隔距离。其它一些更复杂的考虑因素还包括是否有适用于该具体应用的安全标准。本文将讨论设计工程师在开发工业和商业应用以及选择合适的继电器时所需要面临的要求和挑战。

在继电器选择过程中，工程师需要认真审查两个技术方面。首先，本文将重点介绍浪涌电流峰值如何会严重损坏继电器触点，使其无法再正常工作。这种故障突出表明需要遵守电梯、工业切割机和铁路信号等设备的安全标准。第二个主题则涉及空间受限的环境，例如工业控制柜，需要匹配足够的可用空间来安装所需数量的继电器。

为电气要求苛刻的环境选择继电器

在过去十年中，工业制造格局经历了快速转型。以提高整体运营效率为重点，工业 4.0 和工业物联网 (IIoT) 等产业趋势推动了对工业自动化设备和系统的需求增长。

工业系统需要一种有效的方法从低压接口来控制到设备的高功率轨，电磁继电器提供了一种实现此类动作的有效方法，并且通常可用一个信号打开或关闭多组触点。虽然这种不起眼的继电器可以提供简单且低成本的解决方案，但在某些情况下，受控设备可能需要满足严格的功能安全要求。例如，液压机操作员必须 100% 确定仅在得到指示时才进行操作。IEC 61508 及其工业设备衍生标准等功能安全标准规定了保护设备用户和防止设备损坏所需的安全完整性等级 (SIL)。另一项安全标准 IEC 61810-3（以前称为 EN 50205）明确适用于针对安全和自我监控控制应用的继电器。

应对浪涌电流
浪涌电流可能会对任何电气开关设备造成损坏，例如开关、接触器（contactors）和继电器等。当施加到负载的电源电压过高导致出现过大电流时，就会出现浪涌电流。电机和变压器等感性负载以及储能设备等容性负载特别容易出现高浪涌电流，其幅度可能高出平均稳态电流的四十倍。在继电器中，突然的浪涌电流可能会在继电器触点之间产生瞬时电弧，从而导致它们被焊接在一起。继电器可能表明上看起来仍按预期的那样运行，但其关断负载电源的能力已经受到损害。

有几种方法可以减少浪涌电流。其中包括缓慢增大施加到负载的电压或使用零交叉开关 (ZCS)，例如固态继电器 (SSR)。 ZCS 通过检测交流电源电压在正负峰值（零交叉点）何时变为零，此时电流也为零。一旦发生过零（zero-crossing），继电器可以打开或关闭负载。

不幸的是，高电感性负载的本质是最大电流点可能大大滞后于电压峰值，会使零电压和零电流出现的时间产生错位。因此，过零开关和固态继电器（ZCS/SSR）方法可能会导致开关大电流。此外，众所周知，ZCS/SSR 是目前所用开关方法中造成破坏性和有害电磁干扰 (EMI) 的潜在来源，要实现 ZCS/SSR 功能安全的合规性，需要对半导体电路进行复杂的监控。

力引导继电器
可靠和安全地开关电路的最可行和最简单方法是使用力引导继电器 (FGR)，这些继电器需要遵从之前强调的 IEC 61810-3 标准。力引导继电器使用的构造方法能够确保常开（make/NO）触点不能呈现与常闭（break/NC）触点相同的状态。如果继电器内发生触点焊接或其他潜在故障，触点的强制移动会与故障触点保持 0.5mm 的指定最小距离。

图 1：来自 TE Connectivity 的 FGR 触点的特写照片。

图 1 为一组力引导继电器触点构造方法的特写照片。

TE Connectivity 的 SCHRACK 力引导继电器产品组合可用于安全相关应用，其中包括安全联锁、紧急停止开关和机器人控制系统等。除了工业应用之外，FGR也可应用于各种控制系统，包括电梯门控制、铁路信号系统和医疗诊断设备等。

SCHRACK 产品系列具有多种灵活的设计选项，例如可提供多种触点配置、不同的触点电镀选项以及各种引脚布局，以实现更高的额定电压。标准和敏感线圈选项则能够提供更长的使用寿命，以及更加优化和改进的散热曲线。

图 2 突出显示了 SCHRACK FGR 产品系列，其中包括从 2 极的SR2M 系列到 7极的SRL7 系列。

图 2：TE Connectivity SCHRACK 力引导继电器产品组合。（来源：TE Connectivity SCHRACK）

力引导继电器的一个典型例子是SCHRACK SR2M 。该2 极继电器符合 EN61810-3（以前称为 EN50205）标准，并在两极之间加强了绝缘。开关触点的额定电压为 250VAC，最大为 400VAC，额定开关电流为6A。所用触点材料为银镍 (AgNi)。触点布置为 1 Form A (SPST-NO) 和 1 Form B (SPST-NC)。继电器线圈的工作电压取决于型号，能够涵盖从 5VDC 到 110VDC 的所有流行标称电压。它能够以插件或焊接引脚格式提供。SR2M 的典型应用包括紧急关闭、液压机控制、电梯和自动扶梯控制以及安全监控等。

力引导继电器的另一个示例是四极 SCHRACK SR4D/M，该继电器可提供3 Form A和1 Form B触点3 NO + 1 NC 或者 2 Form A + 2 Form B 触点2 NO + 2 NC。触点材料为银氧化锡 (AgSnO2)，每个触点的额定电流为 8A。

用于空间受限工业应用的 FGR
大多数工业生产设备由控制柜内DIN导轨安装过程逻辑控制器 (PLC) 控制。随着机械设备变得更加复杂和设备功能密度增加，工厂的占地面积变得非常宝贵。通常，工程师仅限于每套生产设施使用一个控制柜，从而对控制设备的使用有严格限制。现代工业控制器需要提供高密度功能，需要在给定空间实现更多功能，但这种方法也需要将散热保持在最低限度。

一个 DIN 导轨安装力引导继电器的例子是紧凑型SCHRACK XT。SCHRACK XT 可提供单极或两极型号，额定电流为 16A (1P) 或 8A (2P)。力引导继电器可以与 24VDC 线圈或 24VAC、115VAC 或 230VAC 线圈一起订购。

保持工业电气系统安全运行
对于我们日常生活的方方面面，遵守适用的安全标准对保证任何人身安全都至关重要，尤其是存在机械和工艺设备潜在安全隐患的工业过程。功能安全标准规定了评估和确定风险的总体框架，对于继电器，IEC 61810-3 规范指定了将力引导继电器用于安全控制应用。

为了保护生命安全，TE Connectivity SCHRACK 产品系列中的力引导继电器对于任何与安全相关的应用来说都必不可少。

审核编辑 黄宇