APDahlen Applications Engineer
この技術概要では、DC24Vコンタクタ（リレー）のサージ抑制に関する3つの選択肢を紹介します。特に、コンタクタのコイルが電力遮断されたときに発生するフライバック（逆起電力）電圧スパイクを取り上げます。これは、関連するプログラマブルロジックコントローラ（PLC）やモータスターターの接点の長期的な信頼性にとって重要な要素です。これから示すように、コンタクタのターンオフ時間と電圧スパイクの大きさの間にはバランスがあります。
このケーススタディでは、図1に示すSiemensの3RT2015-1BB41を取り上げます。この装置は、過負荷ブロック、補助接点、およびサージ抑圧器（別売）を備えた三相磁気モータスターターとして構成されています。コンタクタのサージ抑圧器軽減技術は、図1の後方に見えるSiemensのLOGO! PLCモデル6ED10521CC080BA2に直接関連しています。このPLCにはトランジスタ出力があり、コイルのフライバック電圧が適切に抑制されないと損傷する可能性があります。
図1： Siemensの三相モータコントローラとLOGO! PLCをPhase Dockレーナに取り付けた写真
サージ抑制ソリューションの比較
このセクションでは、コイルのフライバック電圧を処理する3つの方法について説明します。何もしない方法、メーカー指定のサージ抑制器を使用する方法、および従来のダイオード（フリーホイールダイオードまたはフライバックダイオードとも呼ばれる）を使用する方法です。それぞれの方法について、抑圧器の構成図とオシロスコープの波形を掲載しています。
サージ抑制器を使用しない場合の動作
図2は、サージ抑制器を使用せず、何も行わない場合のシナリオです。コイルのフライバック電圧は-300V DCまで急上昇し、ターンオフ時間は約30msと高速です。
この例では、ターンオフ時間はコイル電圧が0V DCに達するまでの時間で区切られています。3つの方法を簡単に比較できるように、このポイントを選びました。実際の時間はそれよりわずかに短いです。図2の例では、20msで波形に揺れが見られます。これは、アーマチュアが弛緩状態（オープン位置）に戻ることにより、エアギャップが形成される際のアーマチュアの磁気特性の変化と関連しています。
図2： サージ抑制器スロットが開いている（取り付けられていない）Siemensのモータスターターの写真
技術的なヒント： 電圧スパイクとコイルの磁場に蓄積されたエネルギーを散逸するのにかかる時間には逆の関係があります。高電圧スパイクは速い応答時間をもたらしますが、フライバックを低電圧にクランプするとシステムは低速になります。
低電圧はPLCにとって望ましいものですが、コンタクタにとっては有害です。開放が遅いため、モータの一次接点の電気アークが長くなり、高温になります。このようにアーク時間が長くなると、主接点がすぐに「消耗」してしまい、メンテナンス費用がかさむことになります。また、不運な故障の連鎖により、コンタクタ内でアークが持続する可能性があるため、安全上の問題もあります。
コイルのエネルギーはどこで散逸するのでしょう？
この点は電圧スパイクと時間の関係を理解する鍵になるので、明確にする必要があります。インダクタ（リレーコイル）は電流を一定に保つために全力を尽くすことを思い出してください。この場合、電流を供給している接点を開こうとしています。インダクタは、定電流を維持するために必要な値まで電圧をどこまでも上昇させることで「応答」します。その結果、電圧は、定電流を維持できる経路が見つかるまで上昇します。理想的な世界では、インダクタの電圧は無限大まで増加します。
現実の世界では、コイル電圧はアーク放電が発生するするまで上昇します。図2では、このアーク放電は、中継リレー（interposing relay）の接点間で発生しています。この小さなPhoenix Contactの制御リレーは、Siemensのモータスターターのすぐ右に見えます。リレーを開くと、小さな閃光が見えます。見た目はあまり印象的ではありませんが、これは高温のプラズマで、コイルのエネルギーを素早く放散させ、その結果、測定された30msのターンオフ時間を実現します。
この例では、用語「中継リレー」の意味は、PLC とモータスターターの間に配置するリレーです。これは、LOGO! PLCには高電圧スパイクによって損傷する可能性のある半導体出力があるため必要です。
技術的なヒント： LOGO! PLC にはリレー出力があります。その場合、中継リレーは不要になります。ただし、Siemensのサージ抑制器を使用し、改善された設置方法については、次のセクションを参照してください。
適合するサージ抑制器を使用する場合の動作
図3は、Siemensのサージ抑制器3RT2916-1BB000を取り付けた場合のコンタクタのコイルの波形を示しています。ターンオフ時間が40msとわずかに長くなり、電圧スパイクの大きさは減少しています。図2と3を比較すると、はめ込み式モジュールのサージ抑制器がはっきりとわかります。
図3： サージ抑制器3RT2916-1BB00を取り付けたSiemensのモータスターターの写真
コイルのエネルギーはどこで散逸するのでしょう？
図3では、マイナス110V DCのスパイクが見られます。このモータスターターのコイルエネルギーは、サージ抑制器内で散逸します。ホットアークの代わりに、エネルギーはバリスタで散逸します。比較すると、電圧波形が緩やかになっていることからわかるように、これは穏やかな動作です。
もう一度、電圧スパイクとターンオフ時間の逆相関を強調します。図3は電圧スパイクが低いため、エネルギーの散逸に時間がかかり、その結果ターンオフ時間がわずかに長くなっています。
総合的に考えると、これは図1のトレーナにとってほぼ最適なソリューションです。高電圧に耐えるために中継リレーを備え、比較的速いターンオフ速度でモータスターターからの応答が素早くなります。リレー出力付きのLOGO! PLCに変更すれば、中継リレーをなくすことができます。
技術的なヒント： ほとんどのPLCにはリレー出力か半導体（トランジスタベース）出力があります。どちらにも適した用途があります。リレー出力は電気的に堅牢で、高電圧と高電流を扱うことができます。一方、トランジスタ出力は高速で、オンとオフを切り替える寿命が長くなります。
デモンストレーションとして、装置がアイドル状態のときに赤いパネルランプを1秒に1回点滅させるようにPLCがプログラムされているとします。また、装置が毎晩点滅するアイドル状態に置かれたとします。1年間で、この恐ろしいプログラムはリレーの寿命のかなりの部分を消費することになります。一方、トランジスタベースの出力は、同じプログラムを何十年（何十億サイクル）も問題なく実行できます。
従来型のダイオードを使用する場合の動作
最後のサージ抑制器の構成を図4に示します。この例では、従来型のダイオードがコンタクタのコイルの両端に一時的に設置されています。ダイオードを固定する機械的なクランプがないため、これは明らかに一時的な（不十分な）設置です。
ターンオフ時間は40msから170msに増加しました。実際、コンタクタの反応の違いを聞いて確認することができ、遅く聞こえます。技術的なヒントで述べたように、コンタクタが開くのが遅くなるため、これは悪い状況で、モータの接点間のアーク時間が長くなります。
図4： コイルのフライバック電圧を抑制する不適切な（推奨されない）方法
コイルのエネルギーはどこで散逸するのでしょう？
この例では、エネルギーは主にコンタクタのコイルの固有抵抗に散逸します。電圧が小さいため、ターンオフ速度は大幅に増加します。
技術的なヒント：：図4は、コイルと並列に配置されたダイオードでリレーのコイルエネルギーを散逸させる典型的な教科書的方法です。ターンオフスパイクの抑制には非常に効果的ですが、ターンオフ速度には不利です。教科書に載っている理想的な回路と、実際に機能する回路を明確に区別する必要があるため、ぜひ同僚とこのような話をしてください。
おわりに
この記事をシンプルな1文で要約すると、「メーカーが推奨するコンポーネントを使用する 」と言えそうです。専用のSiemensのサージ抑制器が明らかに勝っています。とは言え、この記事により、コイルのフライバック電圧と関連コンポーネントについてより深く理解できるようになりました。また、中継リレーの必要性と、リレー出力付きPLCと半導体出力付きPLCの違いが理解できました。
このテキストを実際に使ってみての感想や体験をお聞かせください。
そういえば、中継リレーには専用のサージ抑制モジュールがあることをお伝えしましたか？
ご健闘をお祈りします。
APDahlen
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著者について
Aaron Dahlen氏、LCDR USCG（退役）は、DigiKeyでアプリケーションエンジニアを務めています。彼は、技術者およびエンジニアとしての27年間の軍役を通じて構築されたユニークなエレクトロニクスおよびオートメーションのベースを持っており、これは12年間教壇に立ったことによってさらに強化されました（経験と知識の融合）。ミネソタ州立大学Mankato校でMSEEの学位を取得したDahlen氏は、ABET認定EEプログラムで教鞭をとり、EETプログラムのプログラムコーディネーターを務め、軍の電子技術者にコンポーネントレベルの修理を教えてきました。彼はミネソタ州北部の自宅に戻り、このような記事のリサーチや執筆を楽しんでいます。