Применение бистабильных реле с двумя катушками на примере устройства защиты промышленного оборудования от перегрева

13 апреля

Алексей Васильев (г. Москва)

Бистабильные реле с двумя катушками сохраняют состояние контактов при отключении питания, что позволяет использовать их в устройствах защиты, исключающих самопроизвольный пуск оборудования. В статье рассмотрено решение с использованием такого реле модели HF115F-L, выпускаемой компанией Hongfa.

Обычные реле при отсутствии тока в катушке могут находиться только в одном стабильном состоянии. При подаче тока в катушку они переходят в другое состояние, но после отключения возвращаются в исходное. Бистабильные реле при отсутствии тока в катушке могут находиться в одном из двух стабильных состояний, отсюда и происходит их название.

По конструкции бистабильные реле делятся на две категории:

• Поляризованные. Их переход из одного состояния в другое происходит посредством подачи напряжения разной полярности на единственную катушку.
• С двумя катушками. Для перехода в одно состояние нужно подать напряжения на первую катушку, для перехода в другое – на вторую. Подача напряжения одновременно на две катушки, как правило, не допускается.

Важное преимущество бистабильных реле по сравнению с обычными (моностабильными) – нет необходимости постоянно подавать ток на катушку для замыкания или размыкания контактов. Достаточно подать короткий импульс заданной полярности или на заданную катушку.

Основные сферы применения бистабильных реле:

• Аппаратура с автономным питанием, где необходимо обеспечить очень низкое сопротивление замкнутых контактов или полную гальваническую развязку как контактов, так и управляющих цепей.
• Аппаратура с повышенными требованиями к надежности, в которой должно оставаться заданное положение контактов даже при перерывах в энергоснабжении.

Постановка задачи

На производстве нередко возникают ситуации, когда закупленное ранее оборудование не имеет встроенной защиты от перегрева, а потом появляется необходимость в ее обеспечении. Для этого применяются внешние устройства, которые также называют реле защиты от перегрева, но мы не будем использовать данный термин во избежание возможной путаницы.

Принцип действия таких устройств следующий: на промышленное оборудование устанавливается термодатчик, соединенный кабелем с устройством защиты. Через него оборудование подключается к сети электропитания. Ток протекает через реле. Когда температура в точке измерения превышает заданную величину, контакты реле размыкаются и подача питания на оборудование прекращается.

Для удобства использования система защиты должна предусматривать индикацию состояния, когда температура датчика близка к предельно допустимому значению, и скоро может произойти автоматическое отключение оборудования.

Известные решения

Простейшее устройство защиты от перегрева представляет собой терморегулятор с очень большой петлей гистерезиса. При достижении предельно допустимой температуры нагрузка отключается, начинается процесс естественного охлаждения остановленного оборудования. Когда температура на датчике сравняется с комнатной, контакты реле снова замкнутся. Существуют виды промышленного оборудования, для которых по технологическим причинам должен обеспечиваться самозапуск после отключения электропитания на короткий промежуток времени. Тогда сразу при возобновлении подачи тока в нагрузку произойдет запуск и, возможно, оно снова будет перегреваться. Поэтому обслуживающему персоналу нужно успеть, пока оборудование не охладится до комнатной температуры, своевременно отключить его от линии электропитания и разобраться с причинами возникновения аварийной ситуации.

Более сложные устройства защиты от перегрева при превышении температурой заданного уровня размыкают цепь нагрузки и остаются в таком положении даже после охлаждения датчика. Обратно подключить нагрузку может только обслуживающий персонал, и это должно делаться после устранения причин, приведших к перегреву.

Но и у таких устройств есть свой недостаток. Они «помнят» о произошедшем аварийном событии, только пока на них подается напряжение питания. При его отключении и последующем возобновлении устройство защиты от перегрева, как ни в чем не бывало, подает ток в нагрузку, если защищаемое оборудование охладилось.

В чем здесь проблема? Перегрев промышленного оборудования часто обусловлен отклонениями в параметрах электропитания. Например, аварии в электросетях могут приводить к тому, что периоды повышенного напряжения чередуются с кратковременными перерывами в энергоснабжении. Кроме этого, перегрев нередко связан с более масштабной аварией, в числе других последствий которой есть и утечки на землю. Поэтому сразу после срабатывания защиты от перегрева в электрощите может сработать реле напряжения или дифференциальный автомат (устройство защитного отключения). К сожалению, иногда сотрудники предприятия в таких ситуациях на глаз оценивают, что якобы произошло ложное срабатывание реле напряжения или УЗО, после чего снова подают напряжение в линию питания, не устранив причины, приведшие к аварии. При этом оборудование, в котором произошел перегрев, может снова запуститься. Такая ситуация способна привести к его поломке.

Применение бистабильного реле

Автор статьи предлагает простое устройство защиты от перегрева оборудования, конструкция которого защищена от действия человеческого фактора. Этого удалось достичь благодаря тому, что бистабильное реле сохраняет положение контактов при отключении питания. В решении используется бистабильное реле с двумя катушками.

Когда температура поднимается выше заданного значения, напряжение подается на катушку, размыкающую контакты реле. Далее при снижении температуры или отключении питания контакты все равно остаются разомкнутыми. Замкнуть их можно только при подаче напряжения на другую катушку. Для этого нужно нажать специальную кнопку, что предотвращает самопроизвольный пуск оборудования.

Поскольку для рассматриваемого устройства важна надежность срабатывания, для использования в проекте было выбрано бистабильное реле производства компании Hongfa. Согласно спецификации производителя, его контакты имеют покрытие AgSnO₂, рассчитанное на коммутацию тока до 16 А. Поскольку устройство защиты питается от однополярного источника, используется модель с двумя катушками.

Обычно самозапуск характерен для оборудования с однофазным питанием, имеющим потребляемый ток не более 16 А. Поэтому для реализации проекта необходимо реле с контактами, рассчитанными на напряжение переменного тока до 250 В и силу тока до 16 А. Достаточно иметь одну группу контактов. Параметры некоторых типов бистабильных реле с двумя катушками производства Hongfa, отвечающих указанным требованиям, приведены в таблице 1. Контакты 1A – замыкание/размыкание, 1C – переключатель на два направления.

Таблица 1. Бистабильные реле Hongfa с двумя катушками

Для реле, перечисленных в таблице 1, применительно к резистивной нагрузке, производитель заявляет номинальное значение тока 16 А и предельно допустимое – 20 А. Для нагрузки, отличной от резистивной, эти значения будут меньше, что следует учитывать при проектировании устройств.

Конструкция

Принципиальная схема предлагаемого устройства защиты от перегрева приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема устройства защиты от перегрева

Устройство питается от напряжения 12 В DC. Поскольку данное напряжение широко распространено, блоки питания для него выпускаются серийно, что делает их доступным готовым решением, более простым, чем самостоятельная сборка из отдельных деталей. Блок питания U1 должен выдерживать нагрузку до 80 мА. Обязательным условием является полная гальваническая развязка входа и выхода. В качестве блока питания можно использовать IRM-01-12 производства компании MEAN WELL. Вход напряжения питания шунтируется конденсатором C4 для предотвращения действия помех, связанных с коммутацией.

В качестве датчика температуры используется термистор R8. Он имеет отрицательную зависимость электрического сопротивления от температуры: чем она выше, тем меньше сопротивление. Для данного проекта выбран TDK EPCOS K45, так как он оснащен резьбовой головкой M3, что позволяет произвести установку на оборудование простым и надежным способом. Конденсаторы C1 и C2 подавляют наводки переменного тока на кабель, соединяющий датчик и устройство. Термистор и резистор R7 образуют делитель напряжения. Величина напряжения на его выходе зависит от температуры датчика.

На двухканальном операционном усилителе DA1, а также на резисторах R3 и R6, собран двухканальный компаратор. Первый канал (DA1.1) отвечает за светодиодную индикацию температуры, близкой к предельно допустимой. Когда напряжение на делителе станет меньше напряжения на движке R2, его значение на выходе первого канала будет близко к нулю. В итоге включится светодиод HL1.

Второй канал (DA1.2) отвечает за отключение оборудования при превышении максимально допустимой температуры. Когда напряжение на делителе станет меньше чем на движке R4, напряжение на выходе первого канала будет близко к нулю. К выходу второго подключена микросхема DA2, работающая в режиме прецизионного триггера Шмитта. Когда напряжение на ее выводах 2 и 6 окажется меньше 1/3 от напряжения питания, на выводе 3 микросхемы установится напряжение, близкое к 12 В. Транзистор VT2 откроется, и пойдет ток через обмотку реле, отвечающую за размыкание контактов. Диод VD1 защищает транзистор от пробоя в результате действия экстратоков размыкания, возникающих в обмотке реле. Наличие триггера Шмитта между усилителем постоянного тока и управляющим транзистором позволяет обеспечить стабильность порога срабатывания реле благодаря тому, что транзистор VT2 работает в ключевом режиме.

При первом запуске, а также при включении после перегрева необходимо нажать кнопку SA1. Через нее подается ток на другую обмотку реле, замыкающую контакты. Одновременно через диод VD2 на вход 4 микросхемы DA2 подается напряжение логического 0, что является сигналом сброса. В результате предотвращается подача тока одновременно на обе обмотки реле, а триггер Шмитта возвращается в начальную точку петли гистерезиса. Резистор R9 поддерживает напряжение логической единицы на входе 4 микросхемы DA2, когда контакты кнопки SA1 разомкнуты.

Реле P1 – типа HF115F-L/12-HS3L2TF производства Hongfa. Микросхема DA1 вместо оригинальной LM358P может быть также LM358L-D08-T производства UTC. В качестве микросхемы DA2 вместо NE555 можно использовать ее аналоги, в том числе на основе КМОП-логики (следует иметь в виду, что отечественный аналог КР1006ВИ1 имеет некоторые отличия от исходного прототипа, автор статьи не проверял экспериментально возможность его использования в данной конструкции). Транзистор VT1 – КТ502 с любым буквенным индексом, VT2 – КТ815 с любым буквенным индексом. VD1 и VD2 – любые маломощные кремниевые диоды с напряжением обратного пробоя не менее 50 В. Светодиод HL1 – любой красный в корпусе 5 мм. Для более точной настройки в качестве R2 и R4 рекомендуется использовать многооборотные подстроечные резисторы. C1 и C3 – любые керамические конденсаторы.

Ограничение доступа к функции пуска

Для повышения уровня безопасности на производстве доступ к функции пуска можно ограничить определенным кругом специалистов. Это делается одним из трех способов:

• Поместить кнопку пуска в ящик, закрывающийся на ключ.
• Использовать вместо кнопки пуска переключатель с возвратной пружиной, который поворачивается ключом.
• Установить RFID-контроллер, срабатывающий на карточки определенных сотрудников предприятия. Для этого в схему дополнительно вводится еще одно моностабильное реле. Его контакты соединяются последовательно с кнопкой SA1, а обмотка подключается к RFID-контроллеру. При определении, что сотрудник имеет право на пуск оборудования, контакты дополнительного реле замыкаются.

Схема подключения RFID-контроллера к устройству защиты от перегрева показана на рисунке 2. Его напряжение питания, как правило, составляет 3,3 или 5 В, поэтому в качестве P2 следует использовать сигнальное реле, срабатывающие от небольшого напряжения, приложенного к катушке, например, модель семейства HFD5, выпускаемого компанией Hongfa. Параметры этих моностабильных сигнальных реле с номинальным напряжением 1,5…5 В приведены в таблице 2. Каждое из изделий рассматриваемой серии имеет две группы контактов на два направления, в данном устройстве задействуются одна группа и одно направление. Контакты реле рассчитаны на напряжение до 30 В постоянного или 125 В переменного тока. Напряжение на разомкнутых контактах K2 заведомо меньше. Выбор конкретного типа реле обусловлен параметрами используемого RFID-модуля.

Рис. 2. Схема подключения RFID-контроллера

Таблица 2. Варианты моностабильных сигнальных реле Hongfa семейства HFD5 

Настройка устройства 

Процесс настройки осуществляется следующим образом: устройство включается в сеть, в качестве нагрузки к нему присоединяется светодиодная лампа или лампа накаливания. Для запуска следует нажать кнопку SA1 и убедиться, что в нагрузку подается напряжение.

Движки резисторов R2 и R4 устанавливаются в крайнее положение, соответствующее плюсовому проводу питания. Термодатчик помещается в печь для калибровки термопар. В ней устанавливается температура, при которой должна сработать светодиодная индикация. Движок резистора R2 медленно вращается до тех пор, пока не начнет ярко светиться светодиод HL1.

Далее в печи устанавливается температура, при которой должна срабатывать защита. Движок резистора R4 медленно вращается до тех пор, пока не погаснет лампа, включенная в нагрузку.

Для корректной работы напряжение на ползунках резисторов R2 и R4 должно лежать в пределах 2…10 В. Если после настройки хотя бы на одном из ползунков напряжение превышает 10 В, сопротивление резистора R7 нужно уменьшить, а если хотя бы на одном из них ниже 2 В – увеличить. После замены резистора R7 процесс настройки повторяется.

Подведем итог

Без использования бистабильного реле создать устройство защиты с аналогичным функционалом можно одним из двух способов:

• использовать источник резервного питания (гальванический элемент);
• построить схему на основе микроконтроллера и Flash-памяти.

Оба варианта предусматривают усложнение и повышение стоимости конструкции, а первый – еще и удорожание обслуживания. Предложенная конструкция на бистабильном реле позволяет реализовать функцию защиты без необходимости в резервном питании или программируемой логике.