Chọn rơ le bán dẫn SSR cho tủ điều khiển tại nhà máy Thái Lan

Khi tủ điều khiển trong nhà máy Thái Lan đóng cắt bộ gia nhiệt, đèn hoặc van điện từ, chọn rơ le bán dẫn (SSR) chỉ theo dòng điện danh định có thể bỏ sót dòng rò lúc tắt, dòng xung khi khởi động và nhiệt tích tụ trong tủ. Cần tách mạch tín hiệu điều khiển từ PLC hoặc bộ điều khiển khỏi mạch đầu ra cấp cho tải; sau đó kiểm tra AC/DC, cách kích dẫn, dòng làm việc và dòng xung, tản nhiệt, bảo vệ và thử nghiệm tại hiện trường. Bài viết này đưa ra trình tự để nhóm thiết kế và mua hàng lập yêu cầu kỹ thuật, không khẳng định một model phù hợp với mọi máy.

Tóm tắt: Chọn đầu ra SSR theo nguồn cấp và dạng sóng dòng điện của tải; chọn đầu vào theo đầu ra của bộ điều khiển. Với tải AC, quyết định giữa loại đóng tại điểm qua không và loại đóng ngẫu nhiên theo ứng dụng. Giảm dòng cho phép theo nhiệt độ thực trong tủ và cấu hình bộ tản nhiệt. SSR có thể có dòng rò ở trạng thái OFF, vì vậy không tự động thay thế thiết bị cách ly bảo trì hay chức năng dừng an toàn. Kết luận cuối cùng phải dựa vào datasheet của model được chọn và phép thử trên máy thật. Lưu ý sử dụng của Panasonic; hướng dẫn của OMRON.

1. Tách đầu vào điều khiển khỏi đầu ra tải

SSR nhận tín hiệu điều khiển rồi dùng phần tử bán dẫn đóng cắt mạch tải. Các model khác nhau về dải điện áp đầu vào, đầu ra AC hay DC, cách đóng cắt, kiểu lắp và yêu cầu tản nhiệt. Đầu ra PLC 24 V DC không có nghĩa tải cần SSR đầu ra DC: PLC có thể đang điều khiển bộ gia nhiệt AC. Trong yêu cầu báo giá, hãy ghi riêng thông số phía đầu vào như kiểu đầu ra PLC, dải điện áp, dòng cấp được, cực tính và số SSR cùng được điều khiển. Phía tải cần có điện áp và sai lệch nguồn, tần số, số pha, loại tải, dòng liên tục và dạng sóng khởi động. Hướng dẫn OMRON.

SSR không có tiếp điểm cơ khí để mòn như rơ le hoặc khởi động từ, nhưng phần tử bán dẫn phát nhiệt khi dẫn, có thể rò dòng khi OFF và có thể hỏng vì xung áp, quá nhiệt hoặc ngắn mạch. Biểu hiện hỏng do đó không giống hoàn toàn tiếp điểm cơ khí bị mòn. Với động cơ có dòng khởi động lớn, hãy so sánh nhiệm vụ đóng cắt và bảo vệ với bài chọn khởi động từ. Nếu SSR nhận lệnh từ bộ điều khiển nhiệt độ, phần chọn chức năng của bộ điều khiển nằm ở bài chọn bộ điều khiển nhiệt độ; bài này tập trung vào phần cứng SSR.

2. Tải AC hay DC và bản chất tải là gì?

Đọc nhãn tải và sơ đồ điện trước khi xem catalogue SSR. Không dùng loại đầu ra AC cho tải DC hoặc ngược lại chỉ vì con số điện áp gần nhau. Xác định dải điện áp vận hành, tần số, số pha, tải thuần trở hay cảm ứng, điện áp lúc khởi động và khi chuyển nguồn. Đủ điện áp và dòng danh định vẫn chưa chứng minh tương thích với mọi dạng tải. Hướng dẫn OMRON.

Với tải cảm ứng DC, lưu ý cực tính và điện áp ngược của cuộn dây. Panasonic yêu cầu hạn chế xung điện áp nếu vượt giới hạn tuyệt đối của đầu ra DC và minh họa mạch kẹp hoặc snubber. Cách dập xung có thể đổi thời gian nhả của van điện từ, nên phải xác nhận thời gian thực trên máy. Với tải AC, xem xung điện áp, lệch pha giữa dòng và áp, và snubber đã có trong sản phẩm hay chưa. Cấu hình bảo vệ phụ thuộc vào model. Lưu ý Panasonic.

Với bộ gia nhiệt ba pha, ghi rõ cách đóng cắt từng pha, phát hiện mất pha, bố trí cầu chì và cách nối tải. Ba SSR một pha đặt cạnh nhau không đương nhiên tương đương một mạch ba pha đã được thiết kế và bảo vệ đầy đủ. Địa điểm Thái Lan cần được chuyển thành điều kiện cụ thể: nhiệt độ không khí trong tủ lúc tải lớn nhất, bụi, ẩm, không gian bảo trì và khả năng mua phụ tùng. Không suy ra nhiệt độ tủ chỉ từ nhiệt độ ngoài trời.

3. Đóng tại điểm qua không hay đóng ngẫu nhiên?

SSR AC loại zero-cross chờ điện áp tải gần điểm không sau khi nhận lệnh ON rồi mới dẫn. Loại random turn-on có thể dẫn mà không phải chờ điểm đó. OMRON giải thích zero-cross có thể giảm nhiễu khi dòng tăng và đưa ví dụ với bóng đèn. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa zero-cross luôn giảm dòng xung cho máy biến áp hoặc tải có dòng lệch pha; cần xem đặc tính từ và dạng sóng của tải. Giải thích zero-cross của OMRON.

Với bộ gia nhiệt thuần trở đóng cắt theo chu kỳ tương đối dài, zero-cross thường là ứng viên. Nếu bộ điều khiển cần chọn góc dẫn trong mỗi chu kỳ AC, hãy xem loại random turn-on tương thích với bộ điều khiển, đồng thời đánh giá nhiễu và tính tương thích thiết bị. Dòng chữ “SSR drive output” trên bộ điều khiển nhiệt độ không đủ để khẳng định hỗ trợ điều khiển góc pha. Cần ghép thông số đầu ra, chu kỳ điều khiển và đặc tính bộ gia nhiệt. Xem thêm bài bộ điều khiển nhiệt độ.

Tải cảm ứng có thể có điểm không của dòng khác điểm không của áp. Panasonic lưu ý tải lệch pha có thể khiến triac không tắt như dự kiến hoặc loại zero-cross không bật dù có tín hiệu điều khiển, và yêu cầu kiểm tra trên thiết bị thật. Trình tự chọn là: xác định tải, quy định thời điểm dẫn cần thiết, xem nhiễu và dòng xung, rồi thử cụm lắp thực tế. Lưu ý Panasonic.

4. Dòng liên tục khác dòng xung lặp lại

Điện trở của bộ gia nhiệt khi nguội và khi nóng có thể khác nhau. Đèn, máy biến áp và cuộn dây cũng có thể hút dòng lúc bật lớn hơn khi chạy ổn định. Thu thập đỉnh dòng, thời gian kéo dài và tần suất lặp lại. Phân biệt lần cấp điện đầu tiên, đóng cắt trong sản xuất, sau thay tải và tình huống lỗi. So sánh dữ liệu tải với đường cong SSR trên cùng thang thời gian. Một nhãn “20 A” không chứng minh tải 20 A được đóng cắt liên tục trong tủ nóng.

Khả năng chịu xung không lặp lại không phải khả năng chịu xung khi đóng cắt thường xuyên. OMRON giải thích giới hạn này và đưa ví dụ máy biến áp với điều kiện riêng. Không áp dụng hệ số của ví dụ đó như quy tắc chung cho hãng khác. Gửi giá trị đỉnh, độ dài xung, số lần đóng cắt và nhiệt độ trong tủ cho nhà cung cấp để xác nhận model; lưu câu trả lời trong hồ sơ chọn thiết bị. Hướng dẫn OMRON.

Bảo vệ ngắn mạch là một quyết định riêng. Xem loại cầu chì hoặc aptomat nhà sản xuất SSR quy định, tiết diện dây và phối hợp với bảo vệ phía nguồn. Không mặc định aptomat tổng của tủ đủ bảo vệ phần tử bán dẫn. Cần xét tải sẽ ra sao nếu SSR hỏng và vẫn dẫn điện. Bộ gia nhiệt có nguy cơ quá nhiệt nguy hiểm có thể cần bảo vệ quá nhiệt độc lập, dựa trên đánh giá rủi ro và hướng dẫn an toàn áp dụng cho máy. Panasonic; OMRON an toàn.

5. Tản nhiệt và giảm định mức theo điều kiện trong tủ

Khi dẫn, đầu ra SSR có sụt áp hoặc điện trở dẫn và tạo nhiệt. Dòng danh định trong catalogue có thể chỉ đúng với bộ tản nhiệt, nhiệt độ môi trường, hướng lắp, khoảng cách và luồng gió quy định. Đọc đường cong dòng theo nhiệt độ và hướng dẫn lắp của model rồi xác nhận khả năng chạy liên tục ở nhiệt độ không khí trong tủ cao nhất. Panasonic nhấn mạnh sử dụng gần giới hạn tuyệt đối trong điều kiện nhiệt và tải cao có thể làm giảm độ tin cậy, dù chưa vượt con số giới hạn; phải giảm định mức và đánh giá trong điều kiện thực. Panasonic.

Ví dụ theo model cụ thể: thông số OMRON G3NE-220T(L)(-2)-US nêu dải dòng tải 0,1–20 A tại 40°C khi dùng bộ tản nhiệt hoặc tấm tản nhiệt quy định, nhưng chỉ 0,1–5 A tại 40°C nếu không có bộ tản nhiệt. Đây là số liệu chỉ cho model và điều kiện được nêu, không phải định mức chung cho SSR hay cho mọi tủ tại Thái Lan. Tài liệu cũng lưu ý dòng tải thay đổi theo nhiệt độ môi trường. Thông số OMRON G3NE.

Để ước tính nhiệt, lấy công suất tổn hao của chính model được chọn rồi theo đường truyền nhiệt từ chip qua vỏ, vật liệu tiếp xúc, bộ tản nhiệt đến không khí. Tài liệu celduc minh họa cách dùng dòng tải, nhiệt độ môi trường và điện trở nhiệt để chọn bộ tản nhiệt; các con số ví dụ gắn với sản phẩm và điều kiện nêu trong tài liệu. Giá trị K/W thấp hơn nghĩa là nhiệt tăng ít hơn với cùng công suất hao dưới cùng điều kiện thông gió, không phải bảo đảm cho mọi cách lắp. Tài liệu tản nhiệt celduc.

Kiểm tra mỡ hoặc tấm dẫn nhiệt, lực siết, độ phẳng bề mặt, hướng gió, khoảng cách tới máng cáp và nhiệt từ các thiết bị bên cạnh. OMRON nêu lưu ý riêng khi một số model được bắt trực tiếp vào tấm tủ. Hãy làm theo hướng dẫn của model thực dùng và xét trường hợp quạt hoặc bộ làm mát tủ dừng nếu ảnh hưởng sản xuất. OMRON về nhiệt; OMRON an toàn.

FAT vài phút với cửa tủ mở trong phòng mát không mô phỏng ca chạy dài tại hiện trường. Lên kế hoạch đo nhiệt vỏ SSR, bộ tản nhiệt và không khí trong tủ khi chạy công thức có tỷ lệ đóng lớn, cùng lúc các thiết bị phát nhiệt khác hoạt động. Ấn định điểm đo và giới hạn chấp nhận từ tài liệu sản phẩm trước khi thử; lưu ảnh vị trí đầu dò. Mức giảm định mức tại nhà máy Thái Lan phải dựa vào nhiệt độ tủ đo được, không phải một tỷ lệ theo quốc gia.

6. Dòng rò khi OFF, tải tối thiểu và cách ly

OFF của SSR không giống khe hở vật lý của tiếp điểm cơ khí. Dòng rò qua phần tử bên trong hoặc snubber có thể khiến đèn LED sáng mờ hay đầu vào trở kháng cao phản ứng. OMRON minh họa bóng đèn sáng mờ và điện trở bleeder; Panasonic lưu ý một số sản phẩm có dòng tải tối thiểu, dưới mức đó có thể hoạt động sai. Chọn SSR quá lớn mà không kiểm tra tải nhỏ cũng có thể tạo vấn đề. OMRON về dòng rò; Panasonic.

Nếu dùng điện trở bleeder hoặc tải giả, tính công suất hao và nhiệt, rồi đo điện áp dư với tải và dây thật. Điện dung dây và trở kháng đầu vào của tải làm thay đổi kết quả. Tuyệt đối không xem lệnh OFF là bằng chứng đầu cực tải không còn điện. Bảo trì phải dùng thiết bị cắt nguồn phù hợp, khóa chống đóng lại và kiểm tra không còn điện áp; không dùng SSR đóng cắt tải thông thường làm thiết bị cách ly. Kiểm tra cách điện đầu vào–đầu ra và khoảng cách cần thiết từ datasheet của model, không thay bằng mô tả chung “có cách ly quang”. OMRON an toàn.

Định nghĩa cả cách phát hiện lỗi. Với bộ gia nhiệt, có thể so lệnh OFF với phép đo dòng hoặc nhiệt độc lập để phát hiện “đã tắt nhưng vẫn có dòng”, cũng như “đã bật nhưng không có dòng”. Khả năng phát hiện phụ thuộc vị trí cảm biến và sơ đồ mạch. Liệt kê những lỗi phải phát hiện và có bảo vệ độc lập khi quá nhiệt có thể nguy hiểm. Không giả định SSR hỏng chỉ theo kiểu hở mạch.

7. Đưa bảo vệ xung và nhiễu vào sơ đồ dây

Bảng chọn thiết bị phải đi kèm sơ đồ ghi dây đầu vào, dây tải, cầu chì, thiết bị bảo vệ, nối đất và chiều dài dây quan trọng. Panasonic mô tả nhiễu ở đầu vào, varistor cho một số trường hợp xung phía AC và cách giới hạn xung ở tải cảm ứng DC. Trước hết xác định model đã tích hợp bảo vệ nào; nếu cần linh kiện ngoài, ghi định mức và vị trí lắp. Snubber ngoài có thể thay đổi dòng rò và điện áp đo được khi OFF. Panasonic.

Trong tủ thực tế, đường đi của dây động lực và điều khiển, nối đất, contactor hay solenoid bên cạnh và dao động nguồn đều ảnh hưởng. Xác nhận đầu ra PLC đủ dòng cho đầu vào SSR, còn dòng rò phía PLC không gây bật ngoài ý muốn. Nếu một ngõ ra điều khiển nhiều SSR, xem cả giới hạn từng điểm và cực chung. Một bản vẽ chỉ ghi “24 V” và “AC 220 V” chưa đủ để thẩm định phối hợp.

Nếu dùng thêm contactor, phân rõ nhiệm vụ trong sơ đồ. Bài chọn khởi động từ trình bày chế độ tải, tiếp điểm phụ và bảo vệ. Cách ly để bảo trì cần thiết bị cắt hoặc bố trí contactor phù hợp mắc nối tiếp trên đường dòng của tải, được đánh giá trên toàn mạch. Mở một contactor mắc song song với SSR sẽ không cắt dòng còn đi qua SSR. Ghi rõ thiết bị nào đóng cắt thường xuyên, thiết bị nào cách ly và thiết bị nào xử lý lỗi.

8. Bảng bảy điều kiện để so sánh model

Ví dụ yêu cầu “bộ gia nhiệt 5 kW, 220 V” chưa đủ để xác định dòng vì còn phụ thuộc một hay ba pha, cách đấu và dung sai điện áp. Tính từ mạch thật, bổ sung dữ liệu khởi động từ nhà sản xuất tải hoặc phép đo, rồi yêu cầu nhà cung cấp xác nhận cả độ phù hợp về nhiệt. Không thay đường cong thiết bị bằng quy tắc nhân dòng cố định.

9. Danh mục kiểm tra RFP, FAT và SAT

RFP: gửi điều kiện sử dụng thay vì chỉ gửi mã hàng

Đính kèm danh sách tải, sơ đồ một sợi và chi tiết, đặc tính đầu ra PLC/bộ điều khiển, tần suất đóng cắt, dạng sóng dòng đỉnh, nhiệt độ cao nhất trong tủ, không gian tản nhiệt, điện áp OFF chấp nhận được và kế hoạch phụ tùng. Yêu cầu bên chào báo model, giả định áp dụng, tản nhiệt và bảo vệ cần thiết, căn cứ giảm định mức, thời gian giao và model thay thế. Điều kiện “tương đương” phải xét đầu vào, đầu ra, nhiệt, đầu nối, dòng rò và bảo vệ, chứ không chỉ lỗ bắt vít.

FAT: thử tủ đã lắp hoàn chỉnh

Kiểm tra đấu dây và cực tính; bật tắt khi không tải và có tải; dạng sóng dòng, áp khi khởi động; nhiệt độ sau thời gian chạy; điện áp dư trên tải lúc OFF; và phát hiện lỗi. Nếu bộ điều khiển nhiệt độ điều khiển SSR, thử chu kỳ ngắn nhất dự kiến. Chốt giá trị đạt từ tài liệu model trước khi thử. Không cố ý gây ngắn mạch khi chưa có kế hoạch thử và phương pháp được nhà sản xuất chấp thuận.

SAT: xác nhận lại ở hiện trường

Đo lại với nguồn, tải, nhiệt độ thực, cửa tủ đóng và trạng thái quạt hoặc bộ làm mát như vận hành. Nếu chiều dài dây hoặc tải tại hiện trường khác FAT, xem lại nhiễu, xung và dòng rò khi OFF. Bàn giao quy trình cắt nguồn và kiểm tra hết điện thay vì chỉ nhìn đèn báo SSR. Ghi model dự phòng, vật liệu dẫn nhiệt, lực siết và ảnh trong tủ.

Câu hỏi thường gặp

Cần dự phòng định mức dòng SSR gấp bao nhiêu lần?

Không có hệ số chung. So dòng chạy, đỉnh và thời gian xung, tần suất đóng cắt, nhiệt độ tủ và bộ tản nhiệt với đường cong của model cụ thể. Không dùng giới hạn xung không lặp lại cho đóng cắt định kỳ. OMRON.

Bộ gia nhiệt luôn cần loại zero-cross phải không?

Loại này thường là ứng viên cho bộ gia nhiệt thuần trở đóng cắt theo đợt, nhưng cần kiểm tra chế độ bộ điều khiển, dòng khởi động, nguồn và nhiễu. Điều khiển góc pha có thể cần loại random turn-on phù hợp. Tải cảm ứng cần thử trên máy thật. Panasonic.

SSR OFF có nghĩa đầu tải không còn điện áp?

Không. Dòng rò, linh kiện dập xung và trở kháng tải cao có thể để lại điện áp đo được hoặc đèn sáng mờ. Cắt nguồn đúng cách và xác nhận không còn điện trước khi bảo trì. OMRON.

Có bộ tản nhiệt thì bỏ qua nhiệt độ trong tủ được không?

Không. Hiệu quả tản nhiệt phụ thuộc nhiệt độ môi trường, hướng lắp, luồng gió, vật liệu tiếp xúc và thiết bị lân cận. Đối chiếu đường cong giảm định mức với phép đo thực. celduc.

SSR thông thường có thay được dừng an toàn hoặc thiết bị cách ly bảo trì?

Không nên mặc định như vậy. Phải xét dòng rò và khả năng hỏng ở trạng thái vẫn dẫn, rồi thiết kế chức năng an toàn và cách ly riêng theo đánh giá rủi ro của máy. OMRON an toàn.

Kết luận

Chọn SSR bằng cách tách đầu vào điều khiển khỏi đầu ra tải, rồi xác định AC/DC, cách đóng, dòng chạy và dòng xung, nhiệt, hành vi khi OFF và bảo vệ. Đưa điều kiện vào hồ sơ mua hàng, sau đó quyết định bằng datasheet của model thật cùng kết quả FAT và SAT.

Nếu đang phân vai SSR, bộ điều khiển nhiệt độ và khởi động từ trong tủ điều khiển tại nhà máy Thái Lan, bạn có thể liên hệ TOMAS TECH ngay từ giai đoạn lập danh sách tải và điều kiện tủ. Chúng tôi có thể hỗ trợ cấu trúc bảng so sánh và kế hoạch thử nghiệm.

Nguồn kỹ thuật chính

1. Panasonic Industry, Cautions for Use of Solid State Relays
2. OMRON, Further Information of Solid-state Relays
3. OMRON, Safety Precautions of Solid-state Relays
4. celduc relais, Heat Sink Selection
5. Panasonic Industry, SSR Technical Terminology
6. OMRON, G3NE Specifications