Kraftreläer - Att förstå grunderna

Reläer fungerar i huvudsak som omkopplare som styr funktionen hos andra omkopplare i elektriska kretsar. De använder en insignal med låg effekt för att styra kretsar med högre effekt. Aktivering av reläets lågeffektsignal aktiverar en elektromagnet och sätter igång rörelsen hos en armatur. Denna rörelse leder i sin tur till att elektriska kontakter sluts, vilket möjliggör överföring av effekt till den styrda kretsen.

En av de största fördelarna med denna konstruktion är att den isolerar styrsignalen med låg effekt från kretsen med hög effekt. Isoleringen skyddar inte bara operatörer från potentiella risker utan även utrustningen från potentiella skador. Arrangemanget möjliggör dessutom fjärrstyrning av enheter eller system, vilket möjliggör drift på distans.

Elektromekaniska reläer har funnits sedan 1835, och trots betydande framsteg i deras delar och mångfald under årens lopp, så har deras grundläggande funktion varit densamma. Ett av de mest välkända reläerna genom historien är kraftreläet. Även om alla elektriska reläer i sig styr kraft, är det inte alla reläer som har den korrekta benämningen "kraftreläer". I den här artikeln tar vi en närmare titt på kraftreläer, inklusive deras fördelar, konfigurationer och viktiga urvalskriterier.

Grunderna inom kraftreläer

Kraftreläer är kända för sin specialiserade förmåga att hantera omkopplingar med höga strömmar, från flera ampere till betydligt högre magnituder. Deras mer robusta konstruktion och större dimensioner gör att reläkontakterna klarar stora strömmar, vilket gör dem till perfekta kandidater i tillämpningar som kräver strömmar som normalt överstiger 10 A.

De används alltmer inom olika branscher, t.ex. för fordonssystem, hisstyrningar, ventilställdon och olika enheter som kännetecknas av höga initiala strömspikar, som t.ex. motorer, solenoider, strömförsörjningar och elektroniska ballaster.

På samma sätt som andra elektriska komponenter, har reläer inbyggda begränsningar när det gäller den effekt de kan hantera på ett säkert sätt. Respektive modell har tilldelats en maximal märkeffekt, som garanterar en effektiv matchning för en mängd olika belastningar, från enheter med låg effekt som glödlampor till robusta maskiner som t.ex. stora motorer. Om den angivna märkeffekten överskrids kan det dock leda till permanenta skador på reläet.

Dessutom kan obalans i kontakterna orsaka ljusbågar, vilket kännetecknas av strömflöde genom luftspalten mellan reläkontakterna när de är öppna men nära varandra. Detta fenomen medför risker utöver gnistor och värmeutveckling, som innefattar erosion av kontakterna och generering av oönskade elektriska störningar, som potentiellt kan skada närliggande utrustning.

Figur 1: Elektromekanisk reläkontakt med ljusbåge. (Bildkälla: Same Sky)

Det är här kraftreläer kommer in i bilden, då de är särskilt konstruerade för att hantera den elektriska belastningen från enheter som kräver hög ström, som t.ex. värmare, motorer, belysningsmatriser och industriell utrustning. Kraftreläernas förhöjda märkström och märkspänning beror till stor del på användning av kontaktmaterial som skiljer sig från de som används i vanliga reläer. Materialen har valts för att de klarar de påfrestningar som uppstår i tillämpningar med hög effekt, vilket garanterar en tillförlitlig drift och lång livslängd i krävande industriella miljöer.

Kontaktmaterial i kraftreläer

När ström flödar genom reläkontakter finns en resistans, en faktor som beror på kontakternas storlek och materialsammansättning. En förhöjd resistans ökar inte bara reläets effektförlust utan ger även högre värmeutveckling. Ett sätt att minska kontakternas resistans är noggrant val av kontakternas material.

Konventionella reläer har vanligtvis kontakter tillverkade av silvernickel, en metall som historiskt varit allmänt förekommande i reläkonstruktioner. Kontakter av silvernickel är utmärkta för omkoppling av resistiva belastningar, där ström och spänning är i fas med varandra.

Reläer som är konstruerade för högre belastningar, som t.ex. kraftreläer, väljer däremot kontakter av material som silver-kadmiumoxid, silver-tennoxid eller guldlegering. Materialen är perfekta för hantering av induktiva belastningar, som kännetecknas av asynkron ström och spänning, vilket kan ge betydande ström- och/eller spänningsspikar. Kontakter av både silverkadmiumoxid och silvertennoxid har minskad elektrisk resistans vilket medför att risken för kontaktsvetsning till följd av höga strömrusningar vid inkoppling minskar. Genom att använda silvertennoxid undviker man miljöproblem som är förknippade med kadmiumbaserade legeringar och uppfyller därmed de bestämmelser som finns i vissa länder.

Kraftreläer jämfört med signalreläer

Kraftreläer och signalreläer är två populära varianter inom reläområdet. Medan kraftreläer prioriterar hantering av högre spänningar och strömmar, har de vanligtvis färre livscykler. Omvänt är signalreläer konstruerade för ett högre antal livscykler men arbetar med lägre spänningar och minimal ström.

Även om materialet i kraftreläernas kontakter är bra för att hantera situationer med hög effekt, är de är inte perfekta för omkoppling av låg effekt. Detta beror på det faktum, att vid lägre spänningar är den fysiska anslutningen mellan kontakterna av största vikt och påverkas av faktorer som kontakttryck och renhet, snarare än kontaktens material.

Att använda ett signalrelä i en krafttillämpning medför dessutom inneboende risker, som potentiellt kan leda till katastrofala fel på grund av överspänning eller överström. Även om ett sådant relä skulle hålla, skulle det sakna viktiga funktioner som skydd mot ljusbågar och självrengörande kontakter, vilket skulle äventyra den långsiktiga tillförlitligheten.

I beslutsprocessen mellan kraft- och signalreläer är det viktigt att följa en grundläggande riktlinje: se alltid till att den effektnivå som ska kopplas om, överensstämmer med reläets märkeffekt. Detta garanterar optimal prestanda, minskar risken för fel och bibehåller reläets och det tillhörande systemets integritet. Du kan läsa mer om signalreläer i den andra artikeln från Same Sky med titeln Signalreläer - Att förstå grunderna.

Typer av kraftreläer

Kraftreläer, liksom vanliga reläer, finns i två huvudsakliga typer: elektromekaniska och solid-state.

Elektromekaniska kraftreläer bygger på en kombination av elektriska spolar, magnetfält, fjädrar, rörliga armaturer och kontakter för att reglera krafttillförseln till en enhet.

Solid state-reläer har å andra sidan inga rörliga delar. Istället utnyttjar de halvledarenheter som kiselstyrda likriktare (SCR), TRIAC:ar (triod för växelström) eller switchningstransistorer för att växla både växel- och likström. Solid state-reläer har fördelar som snabbare omkopplingshastigheter och ökad tillförlitlighet jämfört med elektromekaniska reläer. Deras kostnadseffektivitet minskar dock när effektbehovet ökar, på grund av de högre kostnaderna för robusta effekthalvledare och införandet av ytterligare komponenter för termisk styrning.

Figur 2: Exempel på ett solid state-relä kombinerat med en kylfläns. (Bildkälla: Same Sky)

Vanliga konfigurationer och märkningar

Kraftreläer kategoriseras, precis som deras motsvarigheter för mindre effekt, baserat på kontaktkonfigurationen, vilket anger det antal enheter som de kan styra samtidigt. De vanligaste klassificeringarna inkluderar:

• SPST (enpoligt, envägs)
• DPDT (tvåpoligt, tvåvägs)
• 3PDT (trepoligt, tvåvägs)
• SP3T (enpoligt, trevägs)

Reläkontakter betecknas som antingen normalt brutna (NO) eller normalt slutna (NC), beroende på deras tillstånd när ingen kraft tillförs reläet.

Reläets märkvärden anger den maximala effekt som kan kopplas om av reläet på ett säkert och effektivt sätt. Värdena uttrycks vanligen i ampere för både växel- och likström. Det är viktigt att reläets märkvärde överstiger märkvärdet för den enhet som ska kopplas om, med hänsyn tagen till en säkerhetsmarginal.

I likhet med reläer för mindre effekt kan kraftreläer även beskrivas med hjälp av termen "form". Fraser som "1 Form A" eller "2 Form C" ger insikter om reläets egenskaper. Siffran före "Form" anger det antal beskrivna kontakter som finns tillgängliga i reläet. "Form A" betecknar ett normalt brutet relä, medan "Form B" betecknar ett normalt slutet relä. "Form C" och "Form D" tillämpas för SPDT-reläer och anger vilken position som anses vara normalt sluten respektive om reläet är av typen brytning före slutning eller av typen slutning före brytning. Det finns många andra format, men dessa fyra är de vanligaste.

• Form A – normalt bruten
• Form B – normalt sluten
• Form C – SPDT-omkopplare med brytning före slutning
• Form D – SPDT-omkopplare med slutning före brytning

Ytterligare överväganden

Några ytterligare överväganden att ta hänsyn till vid val av enhet inkluderar:

• Överspänning på ingången: Vissa enheter kan ge upphov till kraftiga överspänningar vid start. Det är viktigt att identifiera dessa överspänningar innan du specificerar ett relä för att förhindra skador på enheten.
• Spoldämpning: Reläväxlingar kan generera högspänningstransienter. Spoldämpning innebär att man använder ytterligare komponenter i kretsen för att skydda utrustningen från dessa transienter. Detta kan dock minska reläets livslängd. Fastställ om en specifik strategi för spoldämpning är nödvändig i en specifik tillämpning.
• Låsning: Ett låsande relä behåller sin senaste kontaktposition även efter att aktiveringsströmmen har avlägsnats. Denna funktion kan krävas i vissa tillämpningar.
• Störningar: Reläer kan ge upphov till elektromagnetiska störningar (EMI) eller radiofrekvensstörningar (RFI), vilket kan vara mer uttalat i enheter för hög effekt. Konstatera i förväg hur känslig en enhet eller ett system är för dessa störningar.
• Kontaktstuds: När ett relä växlas kan dess kontakter utsättas för korta öppnings-/ stängningscykler, s.k. kontaktstuds, som genererar elektriska pulser. Beroende på tillämpningens känslighet kan denna studs orsaka oönskade effekter, så det är viktigt att avgöra om kontaktstuds kommer att påverka en tillämpning innan man specificerar ett relä.

Figur 3: Exempel på kontaktstuds och snabbt växlande spänningar. (Bildkälla: Same Sky)

Sammanfattning

Reläer är betrodda, effektiva och tillförlitliga enheter som ger en säker elektrisk styrning av system och enheter, samtidigt som operatören hålls säkert isolerad från driftströmmen. Kraftreläer, oavsett om de är elektromekaniska eller solid-state, är specialkonstruerade med förbättrade funktioner för att hantera högre spänningar och strömmar.

När konstruktörer bedömer vilka behov av kraftomkoppling deras produkter har, finns Same Sky här med ett stort utbud av kraft- och signalreläer. Same Sky har relälösningar som uppfyller en mängd olika behov på ett effektivt sätt, oavsett om det rör sig om omkoppling av strömmar med låg eller hög effekt.