中継リレーを使用したコンタクタの速度向上

APDahlen Applications Engineer

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中継リレー(通常の一般的な制御リレー)は、産業用アプリケーションでよく使用されます。 リレーは2つのシステムの間を「中継」します。次のような、さまざまな理由で使用されます。

  • プログラマブルロジックコントローラ(PLC)などのデバイスの電流処理能力を向上させます。

  • 24V DC PLC出力で120または277V ACコイルに接続されたコンタクタを駆動するために 、電圧を変換します。

  • パネル分離による安全性。このアプリケーションは、高いAC電圧がコントロールパネルの他の場所に配置される一方で、PLCに専用の24V DCを青色のワイヤで配線します。 この意図的な分離は、デバイスのタイプごとに専用のスペースを備えたクリーンなパネル レイアウトになり、トラブルシューティングが容易になるため、トラブルシューティングに役立ちます。

  • コンタクタが開く速度を上げることでアークを最小限に抑え、寿命を延ばします。

この記事は、コンタクタの動作速度に関する最後のポイントに関係しています。図1に示されているハードウェアは、原理を説明するために使用されています。左から右へ、0.5A回路ブレーカ4ピン端子台ジャンパを備えた端子台、Crouzet製Millenium Slim PLC、一体型サージ抑制ダイオードソケットを備えた制御リレーおよび24V DCコイルを備えたコンタクタが表示されています。

図1: Millenium Slim PLCと三相コンタクタの間に挟まれた中継リレーを示す図

まず、Crouzet製PLCがソリッドステート出力を備えていることを認識しておかなければなりません。確かに、PLCは大型コンタクタに直接電力を供給できます。コンタクタの2.4Wコイルは100mAを消費しますが、これはPLCの設計最大値500mAの範囲内です。しかし、コンタクタの誘導エネルギーの放出に関連する動作を考慮すると、PLCはコンタクタに適していません。

技術的なヒント: 大型のDCコンタクタまたはリレーをオフにするのは、ストレスがかかる作業になり得ます。コイルが磁場の中にエネルギーを蓄えることを思い出してください。また、インダクタは電流を一定に保つことを「望んでいる」ことを思い出してください。この結果は誘導性負荷のキックバックとして知られており、コイルへの通電が遮断された瞬間にインダクタが電流を一定に保つために必要なあらゆる動作を行います。関連する保護がないと、電圧は数百ボルトまで上昇し、電流を維持するためにアークが発生し、コイルの制御に使用されている半導体スイッチが破壊されます。サージ抑制ダイオードは、電流の代替経路を提供するために組み込まれることがよくあります。

ソリッドステート出力対応の中継リレーを使う理由

PLCとコンタクタの不整合の理由は、必要なサージ抑制ダイオードに関連しています。Crouzet製PLCのデータシートには特定の過電圧設計最大値が記載されていませんが、図2に示すように、誘導負荷が存在する場合にはダイオードが必要であることが示されています。これは産業用制御システムで一般的な構成です。実際、非常に一般的であるため、多くの制御リレーではソケットにダイオードが組み込まれています。図1に示すFinder製制御リレーがこれに該当します。

図2: 誘導性負荷に対するサージ抑制ダイオードの使用を示すCrouzet製Millenium Slim PLCのデータシートからの抜粋

Schneider製コンタクタにはサージ抑制ダイオードが搭載されていますが、タイプが異なることに注意してください。単純なダイオードを使用する代わりに、双方向ダイオード(bidirectional diode)を備えています。この記事の後半で説明するように、このダイオードは約48V DCの電圧でクランプします。Millenium Slimなどの半導体出力を備えたPLCは、このより高いクランプ電圧を許容または耐えることが期待できません。

コンタクタの動作を考慮すると、この単一ダイオード(0.6V DC)とクランプ(48V DC)の違いは些細な違いではありません。リレーの開放速度について説明したこの記事(article)で概説したように、クランプされた誘導損失電圧は速度に直接関係していることを理解してください。これは特にSchneider製コンタクタのDCコイルに当てはまります。PLCの要求に応じて単一のダイオードサージ抑制器によって抑制すると、開くまでに100ミリ秒以上かかります。

実行可能な解決策の1つは、中継リレーを使用することです。これにより、埋め込まれた双方向ダイオードアセンブリがその役割を果たすためのスペースが確保されます。中継リレーの常開接点(N.O.)により、より高い電圧にも簡単に対応できます。同時に、中継リレーの小型コイルはPLCとの相性がいいです。実験の結果(Experiments suggest)、小型の制御リレーの動作開放速度は大型のコンタクタほど敏感ではないことが示唆されています。

中継リレーの実演

この実験の概略図を図3に示します。中継リレーはPLCによって駆動されます。中継リレーのNO接点は、大型コンタクタのコイルを駆動するために使用されます。何か問題が発生した場合の損害を最小限に抑えるために、PLCデータシートに記載されているように回路ブレーカが接続されています。

図3: PLC、中継リレー (CR 1)、およびコンタクタの接続を示す配線図

リレーの開放に関連する波形は図4で示されています。イベントはPLC出力(オレンジ色)の立ち下がりエッジで始まります。コンタクタのコイル(青色)の立ち下がりエッジで明らかなように、中継リレーは約8ms後に開きます。コンタクタの電圧波形の不連続から明らかなように、コンタクタは約37ms後に開きます。これは、アーマチュアとコイルの近接性の変化によるインダクタンスの変化によって引き起こされます。この動作の合計時間は約45ミリ秒です。ただし、それはこの記事の焦点ではありません。代わりに、コンタクタの波形に注目する必要があります。

この記事の中心的な議論は、コンタクタのコイルが48V DCまで負に振れることが可能だということです。これは中継リレーを使用しなければ不可能で、単一のサージ抑制ダイオードが必要だったでしょう。PLCをコンタクタに直接接続すると、前述の記事(previously mentioned article)で説明したように、コンタクタが開くのが遅くなり、動作が遅くなります。

図4: PLC、Finder製制御リレー、およびSchneider製コンタクタに関連する電圧波形

まとめ

重要な動特性は、コンタクタに関連する電圧波形です。中継リレーが取り付けられているため、その電圧は双方向ダイオードのクランプの限界まで自由に上昇します。誘導エネルギーの大部分は、このクランプを通して、比較的高い電圧 P = IE として素早く消散されるのに対し、 P = I^2R (Rはコンタクタの内部抵抗)でははるかに遅いです。これは、定常状態と動的側面の間の微妙な点です。定常状態での分析では、コンタクタとPLCの相性が良いことが示唆されます。動的には、必要なシングルダイオードクランプがシステム性能を低下させ、問題となる速度低下を引き起こします。

ご意見やご提案をお待ちしております。接触アークと寿命に関連する動特性に関する情報が特に望まれます。

APDahlen

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