Utiliser des relais statiques dans l'automatisation industrielle pour une haute fiabilité, une commutation rapide et de faibles interférences électromagnétiques

Pour éviter les temps d'arrêt coûteux, les diagnostics avancés et la maintenance prédictive sont de plus en plus utilisés dans l'automatisation des usines dans des secteurs tels que la production agroalimentaire, l'assemblage automatisé et d'autres systèmes de traitement continu, ainsi que les équipements de climatisation, de purification d'eau et de production d'énergie. Des relais de commutation fiables sont essentiels pour ces processus industriels automatisés. Ils doivent pouvoir commuter rapidement, fonctionner en continu en conditions difficiles avec une usure minimale des contacts et ne pas provoquer d'interférences électromagnétiques (EMI) susceptibles d'affecter les capteurs et les commandes sans fil.

Les relais statiques (SSR) répondent aux exigences de commutation de l'automatisation industrielle grâce à une technologie innovante qui améliore la fiabilité et la durabilité afin de garantir des performances constantes même en environnements difficiles.

Cet article décrit brièvement les exigences de commutation dans l'automatisation industrielle. Il présente ensuite des exemples de relais statiques de Littelfuse et montre comment ces relais peuvent être utilisés pour répondre à ces exigences.

Déterminer les exigences de commutation de l'automatisation industrielle et y répondre

Les besoins de commutation pour l'automatisation industrielle incluent une fiabilité à faible coût, des temps d'actionnement rapides sans rebondissement des contacts ni formation d'arc, une réduction des interférences électromagnétiques susceptibles d'affecter les circuits à proximité ou les capteurs et réseaux sans fil de plus en plus utilisés dans les usines, ainsi qu'une tolérance élevée aux chocs mécaniques et aux vibrations.

Les relais statiques utilisent des dispositifs semi-conducteurs pour effectuer l'opération de commutation afin de répondre à ces exigences. Ils peuvent être actionnés par des tensions CA ou CC avec des modèles distincts pour chaque type d'excitation (Figure 1).

Figure 1 : Schémas fonctionnels des relais statiques montrant les composants critiques pour les modèles à actionnement CC (en haut) et CA (en bas). (Source de l'image : Littelfuse Inc.)

Les relais statiques à actionnement CC (en haut) régulent la tension appliquée. Les relais statiques à actionnement CA (en bas) utilisent un pont redresseur à deux alternances pour convertir le signal d'excitation en courant continu. Les deux types de relais statiques isolent optiquement le signal d'actionnement de la sortie. L'élément actif de ces relais statiques est une paire de thyristors (redresseurs commandés au silicium ou SCR). Ces relais statiques incluent une protection contre les surtensions sous la forme d'une diode de suppression de tension transitoire (TVS) connectée entre les grilles des thyristors afin de protéger le relais statique et empêcher les changements d'état inattendus en présence de transitoires électriques sur le réseau.

La réponse de commutation tire parti des temps de commutation rapides des dispositifs semi-conducteurs et est contrôlée par le circuit de déclenchement. La commutation peut se faire lors des passages par zéro de la tension de sortie après application du signal d'actionnement ou de manière aléatoire (instantanée) avec le signal d'actionnement (Figure 2).

Figure 2 : La caractéristique de commutation est sélectionnée pour correspondre à l'application prévue du relais statique. (Source de l'image : Littelfuse Inc.)

L'activation par passage par zéro est utilisée pour les applications à forts courants, telles que les dispositifs de chauffage industriels, où elle minimise les courants d'appel. L'activation instantanée est utilisée lorsque la commutation doit se produire à une fréquence élevée. La commutation instantanée fournit la fréquence de commutation la plus élevée possible.

Exemples de relais statiques

Pour répondre au besoin de relais de commutation de puissance plus fiables et plus durables dans les applications de machines industrielles et commerciales, Littelfuse Inc. a conçu la gamme SRP1 de relais statiques à haute endurance. Elle se décline en deux modèles : le relais statique nu à haute endurance SRP1-CB et le relais statique tout-en-un haute endurance SRP1-CR avec protection contre les surtensions et sécurité tactile (Figure 3, à gauche et au milieu).

Figure 3 : Relais statique nu SRP1-CB (à gauche), relais statique à sécurité tactile SRP1-CR (au centre) et bornes à connexion rapide alternatives du SRP1-CB…F (à droite). (Source de l'image : Littelfuse Inc.)

Littelfuse a conçu des semi-conducteurs propriétaires pour minimiser la dégradation des composants due à la chaleur et offrir des performances optimales en conditions difficiles. Les deux modèles offrent des unités avec actionnement CA ou CC et des courants de sortie nominaux de 10 A, 25 A et 50 A dans l'une des deux plages de tensions de sortie, de 24 V_CA à 240 V_CA ou de 48 V_CA à 600 V_CA. Les modèles se distinguent par le fait que le SRP1-CR inclut des fonctions de protection et d'installation intégrées, notamment un couvercle IP20 avec protection des doigts, une protection contre les surtensions par diode TVS et une pastille thermique pré-attachée. La version SRP1-CB…F (Figure 3, à droite) dispose également de bornes à connexion rapide.

Les relais sont des dispositifs unipolaires unidirectionnels (SPST) câblés en série avec la charge de sortie (Figure 4).

Figure 4 : Les relais statiques SRP1 sont câblés en série avec la charge de sortie ; l'entrée est commandée par un signal d'actionnement CA ou CC, selon le modèle. (Source de l'image : Littelfuse Inc.)

Les relais statiques requièrent un dissipateur thermique pour fonctionner à leurs valeurs nominales spécifiées. Les deux modèles de Littelfuse utilisent la dernière technologie de liaison directe pour garantir une fiabilité et une longévité maximales des produits. Les relais SRP1-CR incluent une pastille thermique intégrée pour une dissipation efficace de la chaleur ne nécessitant pas de composé thermique, permettant une installation propre et facile. Les courbes de détarage thermique (Figure 5) montrent le courant de sortie maximum pouvant être pris en charge pour différentes températures ambiantes et des dissipateurs thermiques de différentes résistances thermiques.

Figure 5 : Les courbes de détarage des relais statiques série SRP1-CR sont présentées pour différentes températures ambiantes et divers dissipateurs thermiques. (Source de l'image : Littelfuse Inc.)

La résistance thermique est spécifiée en °C par watt (°C/W). Un dissipateur thermique répertorié à 10°C/W deviendra 10°C plus chaud que l'air ambiant pour chaque watt de chaleur qu'il dissipe. Les dissipateurs thermiques avec une résistance thermique plus faible sont plus efficaces que les dissipateurs thermiques avec une résistance thermique élevée et, par conséquent, refroidissent mieux.

Les relais statiques SRP1 sont certifiés conformes à diverses normes d'intégrité, de sécurité, d'environnement, de compatibilité électromagnétique et d'immunité électrostatique, y compris UL, CAN/CSA, CEI, CISPR, RoHS et REACH. Ils sont parfaitement adaptés aux applications de chauffage et de contrôle de mouvement dans l'automatisation industrielle. Ils fonctionnent également bien dans l'industrie agroalimentaire où ils contrôlent les fours industriels, les équipements de conditionnement et les systèmes de convoyeur. Les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation utilisent ces relais pour les centrales de traitement d'air et les compresseurs, de même que les systèmes d'éclairage à grande échelle. Toutes ces applications exigent des performances supérieures et une fiabilité ultra-élevée, et la série SRP1 dispose d'options pour répondre à diverses exigences de courant, de tension, de temps de réponse et de commutation.

Par exemple, le SRP1-CBAZL-050NW-N est un relais statique répertorié à 50 A avec une sortie de 24 V_CA à 240 V_CA. Il accepte une tension d'entrée de 90 V_CA à 280 V_CA et commute au passage par zéro de la tension de sortie. Il offre une résistance à l'état passant maximale de 6,3 mΩ, ce qui n'entraîne qu'une chute de 0,3 V sur le relais au courant maximum. La chute de tension nominale maximale est de 1,3 V. Le relais s'active en moins de 20 ms, y compris le temps d'attente pour le passage par zéro, et se désactive en moins de 30 ms.

Le SRP1-CBDZL-010NF-N est un exemple de relais statique à actionnement CC. Il présente un courant de sortie nominal de 10 A avec une plage de tensions de sortie de 24 V_CA à 240 V_CA. La plage de tensions d'entrée s'étend de 4 V_CC à 32 V_CC. Il commute également au passage par zéro de la tension de sortie et présente la même résistance à l'état passant maximale de 6,3 mΩ. Il diffère des relais SRP1-CB standard par ses bornes à connexion rapide. Son temps d'activation est égal à la moitié du cycle de la forme d'onde de sortie.

Le SRP1-CRARH-025TC-N est une version à sécurité tactile de la série SRP1 et il est répertorié à un courant de sortie de 25 A. Ce modèle est à actionnement CA avec une tension d'entrée de 90 V_CA à 280 V_CA. Il diffère des autres modèles car il présente une réponse de commutation instantanée et utilise une plage de tensions de sortie élevée de 48 V_CA à 600 V_CA. Le temps d'activation du relais est inférieur à 20 ms et son temps de désactivation est inférieur à 30 ms.

Le temps de réponse le plus rapide est obtenu en utilisant un relais avec une entrée CC et une réponse de commutation instantanée. Le SRP1-CRDRL-010TC-N en est un exemple. Ce relais statique affiche un courant de sortie nominal de 10 A avec une plage de tensions de sortie de 24 V_CA à 240 V_CA. La plage de tensions d'entrée s'étend de 4 V_CC à 32 V_CC. Son temps d'activation est de 20 µs et son temps de désactivation est inférieur à la moitié du cycle de la forme d'onde de sortie, ce qui le place parmi les temps de cycle de relais les plus rapides.

Conclusion

Pour répondre aux exigences de performances de commutation, de fiabilité et de conformité aux normes internationales de l'automatisation industrielle, les concepteurs peuvent faire confiance aux relais statiques de la série SRP1. Cette série utilise les avancées des technologies de semi-conducteurs pour atteindre une longue durée de vie, une vitesse de commutation élevée et des interférences électromagnétiques minimales dans une large gamme de courants de sortie et d'options de commande d'entrée.