Come selezionare il relè giusto per un impianto elettrico: una guida professionale

Nella progettazione dei sistemi di controllo elettrici, la selezione dei relè è ben lungi dall'essere un semplice confronto di parametri. Si tratta di una decisione globale che bilancia le prestazioni del sistema, la sicurezza e il rapporto costo-efficacia.

I relè sono un componente fondamentale di controllo e protezione nei sistemi elettrici. La corretta selezione dei relè influisce direttamente sull'affidabilità operativa dell'intero sistema. Influisce anche sulla velocità di risposta e sulla durata. Che si tratti della protezione dei sistemi di alimentazione o del controllo dell'automazione industriale, la scelta del relè appropriato richiede una considerazione sistematica e una metodologia professionale.

Nozioni di base sui relè: dal principio di funzionamento alla selezione del tipo

Breve panoramica del principio di funzionamento del relè

Un relè è essenzialmente un interruttore controllato elettricamente che utilizza un segnale di controllo a bassa corrente per azionare un circuito di lavoro ad alta corrente. Il principio fondamentale è che quando la bobina viene eccitata, si genera un campo magnetico che magnetizza il nucleo e attrae l'armatura provocandone il movimento e modificando lo stato dei contatti. A seconda del modello, i contatti possono aprire, chiudere o commutare circuiti.

Analisi completa dei tipi di relè

Relè elettromagnetico : Funziona utilizzando effetti elettromagnetici e presenta una struttura semplice e una forte capacità anti-interferenza. Include strutture ad armatura rotante del tipo a clapet e bilanciata, quest'ultima che offre una migliore resistenza alle vibrazioni.

Relè a stato solido (SSR) : Utilizza dispositivi a semiconduttore per ottenere la commutazione senza contatto. I vantaggi di questo tipo di memoria sono che ha una lunga durata, è molto veloce e non rimbalza quando viene accesa. Gli svantaggi includono la corrente di dispersione allo spegnimento. Sono inoltre necessarie misure di dissipazione del calore. Il costo è più alto. C'è una caduta di tensione in uscita.

Relè digitale/microprocessore: Integra un microprocessore. Ciò offre funzionalità potenti e programmabili. Viene spesso utilizzato nella protezione complessa dei sistemi di alimentazione.

Tipi di relè specializzati:

Relè orario : Fornisce un controllo preciso del ritardo. La selezione deve essere coordinata in base ai requisiti del sistema (ad esempio, precisione, intervallo di ritardo, alimentazione operativa).

Relè ausiliario/intermedio: Aumenta il numero e la capacità dei contatti, trasmette segnali intermedi nei circuiti di controllo.

Relè di protezione: È specificamente progettato per la protezione del sistema di alimentazione e comprende relè di sovracorrente, relè di sottotensione e relè di protezione a distanza.

Spiegazione dettagliata dei parametri principali per la selezione del relè

Parametri della bobina – Considerazioni chiave per il lato di controllo

Tensione e resistenza nominali della bobina: La tensione della bobina deve essere compatibile con il circuito di controllo. La maggior parte delle bobine dei relè richiedono più corrente rispetto alla capacità di pilotaggio delle porte I/O del microcontrollore, quindi è necessario pilotarle tramite transistor o chip driver dedicati.

Parametri caratteristici operativi:

Tensione di ingresso: La tensione minima della bobina richiesta per un funzionamento affidabile del relè.

Tensione di rilascio/diseccitazione: Questa è la tensione massima della bobina. Il relè si rilascia in modo affidabile a questa tensione.

Potenza nominale: Potenza consumata dalla bobina durante il normale funzionamento.

Nota: La bobina del relè è un carico induttivo. La generazione di una forza controelettromotrice (back-EMF) è il risultato del suo spegnimento. Un diodo flyback/freewheeling deve essere collegato in parallelo attraverso la bobina per proteggere il circuito di pilotaggio.

Parametri di contatto – Considerazioni fondamentali per il lato carico

Portata dei contatti (capacità di carico) : Si riferisce ai valori di tensione e corrente che i contatti possono commutare in sicurezza. Questo deve essere determinato in base alla tensione e alla corrente del circuito controllato. I valori nominali non devono mai essere superati.

Impatto del tipo di carico:

Carichi resistivi (ad esempio, lampade a incandescenza, riscaldatori): Relativamente facile da cambiare.

Carichi induttivi (ad esempio motori, trasformatori, solenoidi): Genera picchi di tensione basati sull'induzione durante il processo di commutazione. Ciò esercita una maggiore pressione sui contatti. Quando si ha a che fare con carichi induttivi di grandi dimensioni, come i compressori dei condizionatori d'aria, è importante utilizzare relè appositamente progettati per queste applicazioni. Inoltre, assicurarsi che la corrente nominale abbia un margine sufficiente.

Carichi capacitivi (ad esempio, alimentatori a commutazione): possono generare un'elevata corrente di spunto all'accensione.

Differenze di carico CC rispetto a CA: i carichi CC richiedono più contatti rispetto a quelli CA. Questo perché gli archi CA si estinguono naturalmente ad ogni passaggio per lo zero, mentre gli archi CC possono essere sostenuti.

Parametri ambientali: fattori di selezione che non possono essere ignorati

Fattori di stress climatico: includono temperatura, umidità, altitudine, ecc. Le alte temperature accelerano l'invecchiamento dei materiali interni del relè, mentre le basse temperature possono aumentare gli effetti di "saldatura a freddo" dei contatti. A bassa pressione atmosferica, la dissipazione del calore del relè peggiora, portando a temperature della bobina più elevate.

Fattori di stress meccanico: principalmente vibrazioni, urti, impatti. Per le vibrazioni causate dal funzionamento dell'interruttore nei quadri ad alta tensione, è necessario selezionare piccoli relè ausiliari con meccanismi di armatura bilanciati.

Grado di inquinamento: in ambienti polverosi o corrosivi, è necessario utilizzare relè completamente sigillati.

Guida alla selezione per applicazioni specifiche

Selezione del relè di protezione del sistema di alimentazione

Protezione dell'alimentatore in ingresso: deve includere almeno: sovracorrente istantanea (ANSI 50), sovracorrente temporale (ANSI 51) e guasto a terra temporale (ANSI 51N). Per alimentatori con potenza nominale pari o superiore a 630 A è necessaria la protezione da sovracorrente istantanea e temporale.

Protezione del trasformatore: i comandi di sgancio del relè Buchholz e della temperatura dell'olio per i trasformatori devono essere applicati al meccanismo di sgancio dell'interruttore automatico in entrata.

Protezione del carico del motore:

Protezione da cortocircuito: la protezione è garantita da fusibili o dallo sgancio magnetico di un interruttore automatico.

Protezione da sovraccarico: fornita da relè di sovraccarico termico o interruttori automatici di protezione motore (MPCB).

Protezione perdita di fase: utilizzare relè termici con protezione perdita di fase. L'impostazione della corrente deve essere regolata in base alle condizioni di avviamento del motore.

Selezione dei relè di controllo industriale

Punti chiave per la selezione del relè ausiliario:

Determinare il numero richiesto e la configurazione dei contatti (combinazioni NO e NC).

Distinguere tra carichi resistivi e induttivi e chiarire la tensione e la corrente di carico.

Considerare il metodo di montaggio (ad esempio guida DIN o saldatura PCB).

In ambienti difficili, preferire i tipi completamente sigillati.

Scenari applicativi dei relè a stato solido:

Situazioni che richiedono commutazione ad alta frequenza.

Ambienti pericolosi con requisiti antideflagranti.

Situazioni che richiedono un funzionamento silenzioso.

Tecniche avanzate e precauzioni per la selezione dei relè

Usi speciali delle configurazioni dei contatti

Contatti in parallelo: non aumenta la corrente nominale di carico ma può ridurre la probabilità di guasti "fail-to-open". Utilizzato in posizioni critiche, ad esempio per l'interblocco elettrico tripolare negli interruttori automatici ad alta tensione.

Contatti in serie: possono aumentare la capacità di resistenza alla tensione di carico. Il fattore di aumento è il numero di set di contatti in serie. Ciò migliora l'affidabilità contro i guasti "saldati/fail-to-open".

Polarità di connessione dei contatti: ove possibile, è preferibile utilizzare contatti normalmente aperti (NO) piuttosto che contatti normalmente chiusi (NC) nel controllo dell'automazione energetica, poiché i contatti NA tendono ad avere meno rimbalzi durante il funzionamento.

Considerazioni speciali per le bobine dei relè

Problema di collegamento in parallelo della bobina: nei circuiti di controllo CC, il collegamento di diversi tipi di bobine di relè in parallelo può causare un rilascio ritardato, malfunzionamenti dei contatti, ecc. Si consiglia di collegare un singolo contatto NC ausiliario in serie con il circuito della bobina di ciascun relè.

Intervallo di tensione operativa: la tensione operativa applicata non deve superare la tensione operativa massima della bobina del relè, né deve scendere al di sotto del 90% della tensione nominale, poiché ciò può compromettere la durata della bobina e l'affidabilità operativa.

Idee sbagliate comuni nella selezione

Relè sigillati e non sigillati: i relè non sigillati offrono un funzionamento visibile e un'analisi dei guasti più semplice, ma hanno una scarsa tolleranza a lungo termine alle condizioni climatiche. I relè completamente sigillati offrono prestazioni eccellenti in ambienti difficili e prestazioni di contatto stabili e affidabili, rendendoli la scelta preferita per i sistemi di controllo dell'automazione energetica.

Corrente termica nominale e corrente operativa nominale: alcune schede tecniche o targhette di prodotto potrebbero indicare la corrente termica nominale del relè anziché la corrente operativa nominale, quindi è importante verificare quale corrente è specificata. Durante la selezione, è fondamentale fare questa distinzione, poiché la mancata osservanza di questa distinzione può avere un impatto negativo sulla durata del relè o addirittura portare al burnout dei contatti.

Processo di selezione sistematico

La selezione del relè appropriato dovrebbe seguire questo processo sistematico:

Analizzare i requisiti di sistema: determinare le caratteristiche del carico (tipo, tensione operativa, corrente e corrente di picco) e i requisiti di protezione.

Determina il tipo di relè: seleziona il tipo e la serie di relè. Questo dovrebbe essere basato sullo scenario dell'applicazione. Gli scenari sono controllo, protezione e conversione del segnale.

Seleziona parametri di contatto: scegli i valori nominali dei contatti con un margine sufficiente in base alla corrente e alla tensione di carico, in particolare aumentando sostanzialmente il margine per i carichi induttivi.

Determinare i parametri della bobina: la tensione e la resistenza della bobina devono essere selezionate in base alla tensione del circuito di controllo e alla sua capacità di azionamento.

Valutare l'idoneità ambientale: scegliere il tipo di protezione e le caratteristiche strutturali adeguate in base alla temperatura ambiente, all'umidità, all'altitudine, alle condizioni di vibrazione e al grado di inquinamento.

Conferma conformità e standard: assicurati che il relè selezionato sia conforme agli standard di settore pertinenti. Assicurarsi che il relè sia conforme alle norme di sicurezza pertinenti.

Verifica e test: verifica le prestazioni dei relè in condizioni reali o simulate per garantire che tutte le esigenze applicative siano soddisfatte.

Conclusione

La selezione dei relè è un compito di ingegneria dei sistemi che richiede una considerazione completa delle prestazioni tecniche, dell'idoneità ambientale e degli aspetti economici. La scelta del prodotto corretto garantisce il funzionamento stabile dell'impianto elettrico, migliorandone significativamente la sicurezza e la durata. Con i progressi tecnologici, i prodotti relè continuano ad evolversi. Rimanere informati sulle nuove tecnologie e prodotti, nonché rivedere e ottimizzare regolarmente i criteri di selezione, è un compito costante per ogni ingegnere elettrico.

Seguendo questa guida completa, sarai in grado di selezionare il relè più adatto per vari sistemi elettrici, garantendo un funzionamento sicuro, affidabile ed economico, sia in semplici circuiti di controllo che in complessi sistemi di protezione dell'alimentazione.