Электронный контактор (силовой электронный ключ, твердотельное реле) – это полупроводниковый коммутационный аппарат, предназначенный для частых включений и отключений силовой электрической цепи. В отличие от электромеханических контакторов, коммутация в нем осуществляется не за счет замыкания/размыкания механических контактов, а с помощью силовых полупроводниковых приборов (тиристоров или симисторов для переменного тока, силовых транзисторов IGBT, MOSFET для постоянного тока). Управление силовыми ключами осуществляется через гальванически развязанную схему управления (опторазвязка, трансформаторная развязка).
Основу электронного контактора составляют встречно-параллельно включенные тиристоры (для однофазной сети) или три пары тиристоров (для трехфазной сети). Для управления используется схема, которая формирует импульсы на открытие тиристоров в момент перехода сетевого напряжения через ноль (при включении) и прекращает подачу импульсов при отключении. Это обеспечивает минимальные броски тока и помехи. Конструктивно аппарат состоит из следующих ключевых модулей:
| Критерий | Электронный контактор (твердотельное реле) | Электромеханический контактор |
|---|---|---|
| Принцип коммутации | Полупроводниковые ключи. Нет движущихся частей. | Электромагнитный привод, замыкающий механические контакты. |
| Скорость срабатывания | Высокая (единицы-десятки миллисекунд). Включение в момент перехода через ноль. | Относительно низкая (десятки-сотни миллисекунд). Дребезг контактов при срабатывании. |
| Срок службы | Определяется сроком службы полупроводников (миллиарды переключений). Не зависит от количества операций. | Ограничен механическим и коммутационным износом контактов (обычно 1-10 млн. циклов). |
| Уровень шума | Полное отсутствие акустического шума. | Характерный щелчок при включении/отключении. |
| Виброустойчивость | Абсолютная устойчивость к вибрациям и ударам. | Чувствительность к вибрациям, возможны ложные срабатывания. |
| Потребляемая мощность | Малая, только для питания схемы управления. Нет потерь в катушке. | Значительная для удержания катушки электромагнита под напряжением. |
| Нагрев | Постоянное падение напряжения на полупроводнике (1-2 В). Требуется эффективный теплоотвод. | Нагрев в основном от переходного сопротивления контактов и катушки. Меньше в установившемся режиме. |
| Помехи в сеть | Минимальные при включении в ноль. Возможны помехи при работе на высоких частотах. | Дуга при размыкании контактов создает существенные электромагнитные помехи. |
| Восприимчивость к перегрузкам | Низкая. Требуется строгое соблюдение номинального тока и установка на радиатор. Мгновенно выходит из строя при КЗ. | Высокая. Способен переносить кратковременные перегрузки и токи КЗ (в паре с предохранителями). |
| Стоимость | Выше, особенно для больших токов. | Ниже для сопоставимых номиналов. |
При подборе электронного контактора необходимо анализировать следующие параметры:
Благодаря своим особенностям, электронные контакторы нашли применение в областях, где критичны частота переключений, надежность и бесшумность:
Монтаж электронных контакторов требует строгого соблюдения правил, обусловленных их полупроводниковой природой.
Преимущества:
Недостатки:
В современной терминологии это синонимы. Исторически «твердотельное реле» чаще использовалось для маломощных модулей, а «электронный контактор» – для силовых сборок на большие токи (сотни ампер) с развитой системой охлаждения. Принцип действия идентичен.
Да, но с существенными оговорками. Необходимо выбирать контактор с номинальным током, как минимум, в 5-7 раз превышающим номинальный ток двигателя, чтобы выдержать пусковые токи (в 6-8 Iн). Обязательна установка быстрых предохранителей и эффективного охлаждения. Для частых пусков предпочтительны специализированные модели для двигательной нагрузки.
Расчет ведется на основе тепловых потерь. Исходные данные: падение напряжения на ключе Uon (из даташита), рабочий ток Iраб, максимальная допустимая температура кристалла Tj, температура окружающей среды Ta и тепловое сопротивление переход-корпус Rth(j-c). Мощность потерь P = Uon
Это два принципа управления моментом включения. Управление по переходу через ноль (Zero Crossing) – включение происходит в момент, когда сетевое напряжение проходит через ноль. Это минимизирует помехи и броски тока. Используется для резистивной нагрузки (нагреватели). Фазовое управление (Phase Angle Control) – включение происходит в произвольный момент фазы напряжения. Позволяет плавно регулировать среднюю мощность на нагрузке (диммирование), но генерирует высокочастотные помехи.
Холодная нить накала лампы имеет сопротивление в 10-15 раз меньше, чем в разогретом состоянии. Это приводит к колоссальному броску тока (до 15 Iном) в момент включения. Если этот бросок превышает допустимый параметр di/dt для тиристора, происходит его разрушение. Для таких нагрузок также необходим значительный запас по току (в 8-10 раз).
1. Визуальный осмотр на предмет сколов, почернений, вздутий. 2. Проверка мультиметром в режиме диода: между силовыми клеммами в обе стороны должно показывать обрыв (очень высокое сопротивление). Между клеммами управления – сопротивление порядка 100-1000 Ом (цепь светодиода оптрона). 3. Подача напряжения управления: при этом между силовыми клеммами должно появиться небольшое сопротивление (единицы-десятки Ом). Без осциллографа полноценно проверить динамические параметры невозможно.
Основные тренды: снижение собственных потерь (Uon) за счет применения новых материалов (карбид кремния SiC, нитрид галлия GaN); интеграция функций мониторинга тока, температуры, диагностики прогнозирования остаточного ресурса (Predictive Maintenance); уменьшение габаритов и улучшение тепловых характеристик; создание гибридных устройств, где включение осуществляется полупроводниковым ключом (без дуги), а проведение тока – механическим контактом (без потерь).