Elektronický interfejs v aplikaci analogu relé I. bezpečnostní skupiny Doc. Ing. Ivan Konečný CSc. ZČU Plzeň 1. Úvod Jedním z nejvýznamějších konstrukčních prvků zabezpečovacích zařízení využívající elektrické závislosti a elektricky řízené akční členy je elektromechanické relé s vnitřní (vestavěnou) bezpečností. Elektromechanická relé s vestavěnou bezpečností se dělí do dvou základních skupin: • Relé 1. bezpečnostní skupiny (dle UIC typ N bez elektrické kontroly odpadu kotvy relé) (gravitační odpad kotvy relé, specifikace konstrukčního provedení relé je normována FIS 736 a ČSN EN 50 129) • Relé 2. bezpečnostní skupiny (dle UIC typ C s elektrickou kontrolou odpadu kotvy relé) (specifikace konstrukčního provedení je normována FIS 736 a ČSN EN 50 205) Elektromechanická relé s vestavěnou bezpečností mají pro své některé unikátní vlastnosti i v éře „plně elektronických stavědel“ své nezastupitelné místo. Většina výrobců elektronických stavědel využívá ve schématice komparátorů a výstupních interfejsů stavědel miniaturizovaných relé 2. bezpečnostní skupiny konstrukčně řešených pro montáž na desky plošných spojů. Obchodní oddělení firem nabízejících „plně elektronická stavědla“ o tom, že tato stavědla obsahují „skryté“ relé se pochopitelně z marketingových důvodů nezmiňují. V zájmu objektivity je třeba konstatovat, že bez použití elektromechanických relé se při návrhu moderních zabezpečovacích doposud nelze obejít, je ale snaha jejich počet omezit na nezbytně nutnou míru. V další části tohoto příspěvku jsou stručně popsány některé unikátní vlastnosti neutrálního elektromechanického relé 1. bezpečnostní skupiny typu NMŠ. Dále je popsán (pro zamýšlenou aplikaci) náhradní elektrický model relé a jsou naznačeny možnosti návrhu elektronického interfejsu jako analogu relé 1. bezpečnostní skupiny. 2. Popis význačných vlastností neutrálního relé 1. bezpečnostní skupiny Význačné vlastnosti relé 1. bezpečnostní skupiny z hlediska vestavěné bezpečnosti lze stručně popsat následovně: Konstrukčně a technologicky musí být zaručeno, že vždy jestliže je cívka relé bez proudu, nebo je protékána proudem, který je nižší než je přípustný proud pro odpadnutí kotvy relé dojde k odpadu kotvy relé, přičemž musí rozepnout všechny zapnuté kontakty. Kontaktní systém relé musí být mechanicky spřáhnut mezi sebou i s kotvou relé. Odpad kotvy musí být zajištěn působením gravitace. Výše uvedené požadavky na vestavěnou bezpečnost do relé vedou u nejčastěji používaných neutrálních relé typu NMŠ na robustní mechanické konstrukční provedení relé s masivním magnetickým obvodem s vysokým momentem setrvačnosti jeho pohyblivých částí
v porovnání s běžnými relé. Nečastěji používané relé NMŠ s plnou kontaktní výstavbou (8 přepínacích kontaktů) s odporem cívky 2000Ω má relativně malý jmenovitý příkon 0.3W pro vybuzení do sepnutí. Indukčnost cívky relé se mění se změnou magnetického odporu magnetického obvodu relé ve stavu vypnuto (hodnota cca 8H) – kotva relé odpadlá na hodnotu cca 40H při vybuzení relé do stavu zapnuto. Pro sílu působící na kotvu neutrálního elektromechanického relé je např. v lit.[1] odvozen vztah: F= k⋅ B2 ∼ k⋅ (N⋅I)2 (1) Ze vztahu (1) vyplývá, že síla působící na kotvu neutrálního relé není závislá na polaritě proudu tekoucího cívkou relé. Předpokládejme, že budeme cívku relé budit střídavým proudem harmonického průběhu. Pak lze vztah (1) upravit do tvaru: F∼ k⋅ I2 max ⋅ cos2ω⋅t =1/2⋅k⋅I2 max ⋅( 1+ cos 2⋅ω⋅t)
(2)
Na kotvu neutrálního relé pak v souladu se vztahem (2) působí síla, sestávající ze stejnosměrné složky a dvojnásobku základní harmonické složky střídavého proudu. U neutrálního relé typu NMŠ2-2000 díky relativně vysoké indukčnosti cívky relé, ztrátám hysteresí a vířivými proudy ve ferromagnetickém materiálu magnetického obvodu relé a mechanickým charakteristikám kontaktního systému nedojde k vybuzení kotvy relé při buzení cívky relé střídavým napětím průmyslového kmitočtu 50Hz až do napětí cca 500V. Tato cenná a unikátní vlastnost (vysoká odolnost proti vybuzení střídavým rušivým napětím) se v praxi využívá např. při projektování interfejsů pro přenos stejnosměrných logických signálů metalickým vedením mezi prostorově vzdálenými stavědly. 3. Náhradní elektrický model interfejsu s relé typu NMŠ Na základě kvalitativního popisu vlastností relé typu NMŠ v předchozí kapitole lze s využitím lit.[2] sestrojit náhradní elektrický model relé, který je znázorněn na následujícím obr.1.
Obr.1. Budící signál je přiveden na blok dolní propusti, která omezuje maximální kmitočet st signálu, na který relé reaguje (u relé typu NMŠ cca jednotky Hz), následující blok dvoucestného usměrňovače slouží k usměrnění st signálu, kterým je přes blok dopravního zpoždění (zpož-
děný přítah a odpad relé) ovládán vstup hysteresního komparátoru. Z výstupu hysteresního komparátoru je přes blok galvanického oddělení řízen výstupní obvod relé. Z popisu funkčních vlastností relé 1. bezpečnostní skupiny je zřejmé, že jednotlivé funkční bloky dle blokového schéma na obr.1. musí být řešeny s vestavěnou funkční bezpečností tak, aby analog relé vykazoval v definovaných poruchových stavech stejné charakteristiky jako elektromechanické relé. 4. Možnosti praktické realizace interfejsu dle náhradního modelu • Vstupní obvod a dolní propust Při návrhu elektrického analogu vstupního obvodu lze vyjít z vlastností dolní propusti, realizované indukčností L a ohmickým odporem R cívky relé, jejíž schéma a vypočítaná útlumová charakteristika je na obr.2. 1 imag(r1)
1
110m
x = 10.0 hertz, y = 116m amperes
Plot1 imag(r1) in amperes
90.0m
x = 50.1 hertz, y = 74.6m amperes 70.0m
50.0m
Y1 L1 8H 3
3
3
x = 100 hertz, y = 44.4m amperes 1 1
V1
R1 2k
30.0m
100m
1
Obr.2.
10 frequency in hertz
100
1k
Na následujícím obr.3. je znázorněno schéma vstupního obvodu elektronického interfejsu s dolní propustí RC, který vykazuje obdobné elektrické vlastnosti jako vstupní obvod malorozměrového relé typu NMŠ. R1 6k8 3
3
1
R4 4k7
1
R2 2k2
V1
R3 6k8 2
C1 10u
V4 4
C2 10u
R5 2k2
vmag4
1
140m
x = 251m hertz, y = 111m volts
x = 1.00 hertz, y = 103m volts
Plot1 vmag4 in volts
100m
60.0m
20.0m
x = 10.0 hertz, y = 17.7m volts
x = 100 hertz, y = 234u volts -20.0m
100m
1
10 frequency in hertz
100
Obr.3.
1k
Aby zapojení podle obr.3. vykazovalo obdobné vlastnosti jako malorozměrové relé typu NMŠ rovněž v uvažovaných poruchových stavech, je zapotřebí schématické řešení modifikovat v souladu s ČSN EN 50 129 aplikací speciálních součástí - čtyřvývodových rezistorů a čtyřvývodových kondenzátorů. Modifikované zapojení podle obr.3. se čtyřvývodovými součástkami, které vyhoví rozboru poruchových stavů je na obr.4.
Obr.4. Zapojení podle obr.4. topologií svých součástí zajišťuje definovanou vstupní a výstupní impedanci a přenosové vlastnosti, které zajišťují v uvažovaných poruchových stavech snížení mezního kmitočtu DP a snížení přenosu, což je bezpečnější stav. •
Blok dvoucestného usměrňovače a blok dopravního zpoždění
Blok dvoucestného usměrňovače zajišťuje na svém výstupu definovanou polaritu stejnosměrného signálu, nezávisle na polaritě vstupního signálu. Jeho realizace diodovým můstkem je z hlediska kladného výsledku rozboru bezpečnosti uvažovaných poruch bezproblémová. Blok dopravního zpoždění zajišťuje definované zpoždění aktivace/deaktivace výstupu po přivedení/odpojení budícího signálu na vstup interfejsu. Nebezpečným poruchovým stavem bloku dopravního zpoždění by bylo snížení zpoždění. Praktické řešení bloku opět využívá zapojení zpožďovacího RC článku se čtyřvývodovým kondenzátorem na výstupu, viz. obr.5.
Obr.5. •
Blok hysteresního komparátoru a galvanického oddělení výstupního obvodu
Pro řešení obvodů hysteresního komparátoru (který bezpečně definovanými práhy převádí vstupní signál na dvoustavový výstupní signál) a obvodů galvanického oddělení výstupu lze využít již ověřené zapojení využité v řešení elektronického fázově citlivého přijímače EFCP. Popis obvodového řešení komparátoru a výstupního obvodu je uveden např. v lit.[3] 5. Závěr
Naznačené obvodové řešení elektronického interfejsového obvodu bylo ověřeno v laboratorních podmínkách. Laboratorní měření potvrdila, že koncepce náhradního elektrického modelu malorozměrového relé typu NMŠ splňuje požadavek na vysokou odolnost proti vybuzení výstupu rušivým vstupním střídavým signálem průmyslového kmitočtu 50Hz. Elektrické parametry vstupního obvodu lze nastavit tak, aby vstupní odpor, napětí přítahu/odpadu (aktivace/deaktivace výstupního obvodu) a časové parametry odpovídaly nejčastěji používanému malorozměrovému relé NMŠ 2 – 2000. Výstupním signálem interfejsového obvodu lze přímo budit vstupní obvody elektronických zabezpečovacích zařízení. Další možností je výstupním signálem napájet cívku miniaturizovaného relé 2. bezpečnostní skupiny (např, relé typu SF2, SF4 Nais Matshushita) se zavedením schématické kontroly relé na odpad. Tímto řešením lze rozšířit počet výstupů.
Literatura: [1] Zdeněk Trnka: Theoretická elektrotechnika I SNTL Praha 1956 [2] Otakar Klika: Elektromechanické součástky sdělovacích zařízení SNTL Praha 1958 [3] Ivan Konečný:Elektronický fázově citlivý přijímač jako náhrada fázově citlivých elektromechanických relé.In:Seminář zab.techniky KAE FEL ZČU Plzeň 2005
