リレーの故障モード解析と対策

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リレーは電子制御素子で、通常は自動制御回路に使用されます。実際には、それはより小さな電流を使ってより大きな電流を制御する一種の「自動スイッチ」です。したがって、回路内で自動調整、安全保護、回路変換などの役割を果たします。電磁リレーは主にコイル、鉄片、リセットスプリング、可動接点、固定接点などで構成されています。一般的な電磁リレーの構造は下図の通りです。 http://yunrun.com.cn/upload/201908/05/201908050416089817.png 電磁リレーの基本構造 電磁リレーの動作原理 ◆コイルに電流が流れると、コイルの中心にある鉄心が磁化されて磁力を生じ、図に示すように鉄片を引き寄せます。その際、レバーの働きによって接続されている可動接点が動き、常開接点は閉じ、常閉接点は開くことになります； ◆コイルの電流が切れると、鉄心はすぐに磁気を失い、圧縮されていたスプリングが元の位置に戻ろうとして力を発生させ、鉄片を元の位置に戻します。このとき、ノーマルオープン接点は開き、ノーマルクローズ接点は閉じます。 リレーの故障モード分析と対策 yunrun.com.cn/tech/2662.html 特定の用途において、本来正常に動作すべきリレーが様々な特別な理由で異常を起こし、その結果生じる損失はしばしば計り知れないものとなります。したがって、リレーを使用する際には、リレーが故障する具体的な原因を明確に理解し、それに応じた対策を講じることで、リレーの故障をできるだけ防ぐ必要があります。これは、人命や財産の安全を守る上で非常に重要な意味を持ちます。 リレーの場合、その動作異常を引き起こす故障原因は20種類もあり、具体的な使用環境や作業場所によってリレーの故障原因も異なります。昌晖計器では、参考として、以下に代表的なリレーの故障原因とその対策をいくつか挙げています。 一般的なリレーの故障原因と対策 1、接点の動作異常 ①リレー接点の溶着：接点表面が大きな負荷によるサージ電流を通過し、さらに頻繁な切り替えによってアーク熱が発生する。 対応解決策：a、電源電圧やコイル電圧の低下によって接点が振動することがないようにする； b、定格電流を超えるサージ電流が流れる負荷の投入・停止に注意する； c、リレーの高頻度な切り替え使用に注意してください。 http://yunrun.com.cn/upload/201908/05/201908050420217254.png リレーにおける接点の溶着不良　②リレー接点の材質移行：直流負荷の切り替え時にアーク熱が発生し、その結果接点の材質が溶融して蒸発し、他の部分に移行する。 対応策：a、直列にリーク抵抗を接続して負荷のサージ電流を低減する； b、接点部にはダイオードを並列に接続して逆起電力を吸収する。 http://yunrun.com.cn/upload/201908/05/201908050422007088.png リレーの接点に粘着が生じ、材料が移動することで発生する故障の接点 ③炭化物がリレーの接点故障を引き起こす：接点が電磁負荷（電磁バルブ、コンタクタ、バルブ）に接続される際に容易に発生し、リレーの接点が長期間開閉されると、その際のサージ電流によって周囲の有機ガスが分解され、ほこりが炭化して接点に付着し、結果として接点の接触不良を引き起こす。 対応策：a、誘導負荷の逆起電力は抵抗負荷よりも大きいため、炭化が生じやすい。 b、接点部にはRCやダイオードなどのサージ吸収素子を並列に接続し、逆起電力を吸収する。 http://yunrun.com.cn/upload/201908/05/201908050426539522.png リレーにおける炭化物が発生する故障した接点 上記の3種類の接点故障は、リレーを使用する過程でよく見られるリレーの故障パターンと言えます。接触の信頼性や使用寿命、騒音の防止といった観点から、昌晖計器ではサージ吸収素子を内蔵した感電保護回路の設置を推奨しています。また、この時点で負荷の解放タイムには若干の遅れが生じるため、使用する前に実際の負荷で確認してください。また、誤った使い方をすると逆効果になることがあるのでご注意ください。 リレー接点保護回路の典型的な例 1、接点保護回路 ①CR方式 http://yunrun.com.cn/upload/201908/05/201908050500017897.png AC電源回路において、負荷インピーダンスがRCインピーダンスより小さい場合に使用できる。C:0.1～1μf；R：負荷と等しい抵抗値。 http://yunrun.com.cn/upload/201908/05/201908050500362203.png AC電源回路およびDC電源回路の両方で使用できます。C:0.1-1μf；R：負荷と等しい抵抗値。 ②ダイオード方式 http://yunrun.com.cn/upload/201908/05/201908050507177352.png DC電源専用。以下の定格値のダイオードをご使用ください。逆方向耐圧：負荷回路の電源電圧×10、順方向電流：負荷電流より大きい。 ③圧敏抵抗方式 http://yunrun.com.cn/upload/201908/05/201908050511488692.png AC、DCの電源回路のいずれにも使用できます。最良の効果を得るため、24V～48Vの電源電圧を使用する際は、負荷側に圧力センサーリザイスタを接続してください；100V～200Vの電源電圧時には、接点間に圧力敏感抵抗を接続する。 注：以下のコンタクト保護回路は使用しないでください。http://yunrun.com.cn/upload/201908/05/201908050516477124.png a、この保護回路はコンタクトが切断された際のアーク消去に非常に効果的です。しかし、接点が開放されるとコンデンサ(C)に電荷が蓄えられ、接点が閉じるとコンデンサから短絡電流が流れ出るため、接点は溶着しやすくなる。 http://yunrun.com.cn/upload/201908/05/201908050517564742.png　b、この保護回路は接点が切断された際のアーク消去に非常に効果的である。しかし、接点が閉じたときに蓄積された電流がコンデンサーに流れると、接点が溶着しやすくなる。 実際の使用において、ほぼすべてのリレーの故障は、リレーの頻繁なオン・オフ動作によって寿命を迎えたこと、または高力率の誘導負荷を駆動することで接点が溶着したり炭化したりしたことが原因です。ダイオードなどのサージプロテクション装置が既に取り付けられている場合でも、故障の発生を完全に防ぐことはできない。 したがって、スイッチが確実にオン・オフを行うことが求められる制御要件、例えば緊急停止スイッチの信号をリレーを介して動力源を遮断するなどの場合には、冗長性と自己診断機能を備えた安全リレーを使用して実現する必要があります。では、冗長性と自己診断機能を備えたセーフティリレーとは一体どのようなものなのでしょうか？次に、安全リレーに関する知識をご紹介し、参考にしていただきます。 安全リレーの定義と特徴 1、安全リレーとは何か？ 安全リレーとは、複数のリレーと論理回路を組み合わせたモジュールであり、回路の構成要素の一種です。その目的は、故障時におけるそれぞれの欠点を補完し、正確で誤動作が少ない機能を実現することで、誤りや故障の発生率を低減し、安全性を高めることにあります。正確に言うと、セーフティリレーモジュールと呼ぶべきです。異なる機械設備や工程段階には、それぞれ異なる安全リスクと危険度が存在するためです。そのため、製品設計時には、さまざまなレベルの機械装置を保護するための多種多様な安全リレーが設計されており、主な目的は、異なるレベルの危険性にさらされる機械の操作者を守ることにあります。 2、全継電器の特徴 a. 安全継電器は電子部品ではなく、回路モジュールである； b. 安全リレーは専用の色で、一般的に黄色または赤色です； c. 安全リレーは、リレーに求められる要件の違いやその他の論理回路の補助設計により、診断カバレッジが非常に高く、場合によっては99.9％にも達するため、より高い要求が課せられる場面で使用できる。また、安全要件を満たすためには認証済みの安全リレーの使用が義務付けられている場合もある！ d. 安全リレーは強制的なガイド接点構造（またはその他の保護方式）を備えており、接点が溶着してしまった場合でも安全を確保できる。したがって、「安全リレー」とは「故障しないリレー」ではなく、故障が発生した際に規則正しい動作を行うリレーなのである。 強制ガイド安全リレーは、内部の強制ガイド棒の作用により、接点が溶着しても2組の接点（NO/NC）が同時にON状態になることはありません。強制誘導構造は、接点の溶接不良を検出するためのシンプルで効果的な方法です。EN 50205の要求に基づき、NO接点とNC接点の独立した組み合わせにおいて、NO接点が溶着した場合でも、リレーコイルの電源を切っても（無励磁状態でも）NC接点は閉じず、0.5mm以上の接点間隙が確保される。また、NCコンタクトが溶接された場合でも、リレーコイルの電源（励磁）を投入してもNOコンタクトは閉じず、0.5mm以上のコンタクト間隙が確保される。 http://yunrun.com.cn/upload/201908/05/201908050436368188.png 強制ガイドリレーのNO接点の溶着 http://yunrun.com.cn/upload/201908/05/201908050438086313.png 強制ガイドリレーのNC接点の溶着 通常のリレーの接点が溶着すると、2組の接点（NO/NC）が同時にON状態になる可能性があります。簡単に言うと、セーフティリレーの方がより安全で信頼性が高く、工業用の安全な場面で使用されます。 安全リレーの適用場所 ①緊急停止ボタン、緊急時に機械の運転を停止する； ②適用安全光幕により、作業員が危険な作業エリアに入るのを防ぎます； ③適用安全ゲートスイッチ、ドアの位置を検出し、開閉するアプリケーション； ④適用される電磁式ドアロックスイッチを使用し、作業エリアの安全性を確保する； ⑤適用キーはセーフティドアスイッチと連動し、ドアの開閉を検出するために使用される； ⑥安全パッドスイッチを適用し、作業員が安全に危険な作業エリアに入れることを確認する。