การวิเคราะห์อย่างเป็นระบบของวัสดุหน้าสัมผัสรีเลย์และอายุการใช้งาน

รีเลย์เป็นส่วนประกอบควบคุมที่ใช้บ่อยที่สุดใน-ระบบควบคุมอัตโนมัติที่ไม่ได้มาตรฐาน ระบบควบคุมกำลัง และอุปกรณ์ทางอุตสาหกรรม แกนหลักของประสิทธิภาพของรีเลย์อยู่ที่ระบบหน้าสัมผัส การเลือกวัสดุหน้าสัมผัสและอายุการใช้งานทางไฟฟ้าและเครื่องกลที่เกี่ยวข้องจะกำหนดความน่าเชื่อถือของรีเลย์ วงจรการบำรุงรักษา และเสถียรภาพของทั้งระบบโดยตรง การเลือกวัสดุหน้าสัมผัสและรูปแบบโครงสร้างที่เหมาะสมช่วยลดอัตราความล้มเหลวของอุปกรณ์และค่าบำรุงรักษาได้อย่างมาก

 

 

โดยทั่วไปอายุการใช้งานของรีเลย์จะแบ่งออกเป็นสองประเภท: อายุการใช้งานทางกลและอายุการใช้งานทางไฟฟ้า

 

อายุการใช้งานของกลไกหมายถึงจำนวนการดำเนินการที่ทำซ้ำได้ซึ่งเกิดจากการทำงานของกลไกเพียงอย่างเดียวภายใต้สภาวะที่ไม่มีโหลด- ซึ่งโดยทั่วไปจะสูงถึงหลายล้านหรือหลายพันล้านครั้ง ในทางกลับกัน อายุการใช้งานทางไฟฟ้า หมายถึงจำนวนครั้งที่หน้าสัมผัสดำเนินการสวิตชิ่งเสร็จสมบูรณ์และคงไว้ซึ่งการทำงานตามปกติภายใต้สภาวะโหลดที่กำหนด และโดยปกติจะต่ำกว่าอายุการใช้งานทางกลอย่างมีนัยสำคัญ

 

อายุการใช้งานทางไฟฟ้าโดยทั่วไปที่คาดไว้ของ-รีเลย์วัตถุประสงค์ทั่วไปและรีเลย์กำลังโดยทั่วไปจะไม่น้อยกว่า 100,000 รอบ แต่ค่านี้ขึ้นอยู่กับสภาพการทำงานเฉพาะเป็นอย่างสูง เมื่อหน้าสัมผัสทำงานภายใต้สภาวะที่ต่ำกว่าโหลดที่กำหนด อายุการใช้งานทางไฟฟ้าจริงของพวกมันมักจะสามารถขยายออกไปได้หลายครั้ง ตัวอย่างเช่น หน้าสัมผัสที่มีพิกัดกระแสไฟฟ้าสูง-จะแสดงพลังงานอาร์คลดลงอย่างมากและอัตราการกัดเซาะของวัสดุช้าลงเมื่อเปลี่ยนโหลดความต้านทานที่มีขนาดเล็กลง จึงมีอายุการใช้งานยาวนานนับล้านรอบ

 

การสิ้นสุดอายุการใช้งานทางไฟฟ้ามักเกิดจากโหมดความล้มเหลวต่อไปนี้: การเคลื่อนย้ายของวัสดุเกิดขึ้นภายใต้การโค้งซ้ำ ๆ ซึ่งนำไปสู่การเชื่อมหรือการยึดเกาะ การสูญเสียวัสดุอย่างรุนแรงจากการกระเด็นของพื้นผิวสัมผัสหรือการระเหย ช่วยป้องกันการสัมผัสทางไฟฟ้าที่เสถียร ความต้านทานต่อการสัมผัสเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเกินช่วงที่ระบบอนุญาต

 

ในทางวิศวกรรมเชิงปฏิบัติ อายุการใช้งานของการสัมผัสสามารถขยายได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านการออกแบบวัสดุที่สัมผัสอย่างมีเหตุผล แรงกดของการสัมผัส และมาตรการปราบปรามส่วนโค้งที่สอดคล้องกัน

 

 

หน้าสัมผัสรีเลย์สามารถใช้โลหะและโลหะผสมมีค่าต่างๆ ได้ วัสดุที่แตกต่างกันแสดงความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในด้านการนำไฟฟ้า ความต้านทานส่วนโค้ง ความสามารถในการเชื่อม และความต้านทานการสึกหรอ รูปแบบทั่วไปประกอบด้วยหน้าสัมผัสโลหะเดี่ยว- หน้าสัมผัสวัสดุคอมโพสิต และโครงสร้างโลหะคู่ เช่น หน้าสัมผัสเงิน Bimetal หมุดย้ำหน้าสัมผัส Bimetal และหน้าสัมผัสเงิน Bimetallic ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในรีเลย์ทางอุตสาหกรรมและรีเลย์กำลัง

 

ในการใช้งานกระแสไฟปานกลาง-ถึง-สูง วัสดุคอมโพสิตที่มีเงิน-เป็นทางเลือกหลัก ซึ่งทำให้เกิดความสมดุลที่ดีระหว่างค่าการนำไฟฟ้าและความต้านทานการกัดกร่อนของส่วนโค้ง วัสดุเหล่านี้มักมีอยู่ในรูปแบบของหน้าสัมผัสแบบคอมโพสิตหรือหน้าสัมผัสทางไฟฟ้าที่มีความแม่นยำ ซึ่งผลิตผ่านกระบวนการโลหะวิทยาแบบผงหรือกระบวนการขึ้นรูปเย็น

 

 

1. ซิลเวอร์แคดเมียมออกไซด์ (AgCdO)

ซิลเวอร์แคดเมียมออกไซด์เป็นวัสดุทั่วไปสำหรับหน้าสัมผัสรีเลย์กระแสปานกลาง-ถึง-มานานแล้ว วัสดุนี้ใช้โลหะผสมผงเพื่อกระจายเงินและแคดเมียมออกไซด์อย่างสม่ำเสมอ ผสมผสานการนำเงินบริสุทธิ์เกือบ-เข้ากับความต้านทานการเชื่อมที่ดีเยี่ยม ข้อดีของมัน ได้แก่ :

 

ภายใต้การอาร์ค แคดเมียมออกไซด์จะยับยั้งการเคลื่อนตัวของวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพ

มีความสามารถในการดับไฟส่วนโค้งที่ดี- ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงของการเกาะติดเมื่อสัมผัสได้อย่างมาก

ภายใต้แรงกดสัมผัสที่เหมาะสม ความต้านทานของการสัมผัสยังคงมีเสถียรภาพ

 

โดยทั่วไป ปริมาณแคดเมียมออกไซด์ใน AgCdO จะอยู่ระหว่าง 10% ถึง 15% เมื่อปริมาณเพิ่มขึ้น ความต้านทานการเชื่อมจะดีขึ้น แต่ความเหนียวและคุณสมบัติการทำงานขณะเย็นจะลดลงตามไปด้วย ดังนั้นวัสดุนี้จึงมักถูกใช้ในโครงสร้าง เช่น Bimetal Rivet สำหรับรีเลย์ เพื่อสร้างความสมดุลระหว่างความสามารถในการแปรรูปและประสิทธิภาพทางไฟฟ้า

 

2. ซิลเวอร์ดีบุกออกไซด์และซิลเวอร์อินเดียมทินออกไซด์ (AgSnO, AgInSnO)

เนื่องจากกฎระเบียบด้านสิ่งแวดล้อมที่เข้มงวดมากขึ้นเกี่ยวกับวัสดุแคดเมียม ซิลเวอร์ดีบุกออกไซด์และซิลเวอร์อินเดียมทินออกไซด์จึงค่อยๆ กลายเป็นทางเลือกที่สำคัญแทน AgCdO วัสดุเหล่านี้มีความแข็งสูงกว่าและมีความสามารถในการบัดกรีได้ดี ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่มีกระแสไฟกระชากสูงและมีกระแสคงที่-ต่ำ เช่น โหลดเส้นใยหรือโหลดแบบเหนี่ยวนำ

 

เมื่อเปรียบเทียบกับ AgCdO วัสดุเหล่านี้มีความต้านทานปริมาตรสูงกว่าเล็กน้อย แต่วัสดุเหล่านี้มีความน่าเชื่อถือที่ดีในรีเลย์ของยานยนต์และระบบ DC โดยเฉพาะอย่างยิ่งเหมาะสำหรับโครงสร้างหน้าสัมผัสที่มีความน่าเชื่อถือสูง- เช่น หน้าสัมผัสสีเงินของสวิตช์และหน้าสัมผัสสีเงินคงที่

 

 

เงินบริสุทธิ์มีค่าการนำไฟฟ้าและความร้อนสูงที่สุดในบรรดาโลหะทั้งหมด ความต้านทานต่อการสัมผัสต่ำมาก และต้นทุนที่ควบคุมได้ค่อนข้างมาก ดังนั้นจึงใช้กันอย่างแพร่หลายในหน้าสัมผัสทางไฟฟ้าเงิน อย่างไรก็ตาม ข้อเสียของมันรวมถึงความไวต่อการเกิดซัลไฟด์ พื้นผิวหมองคล้ำ และความเสถียรในระยะยาว-ที่ถูกจำกัดโดยสภาพแวดล้อม

 

โลหะผสมทองแดง-เงินโดยการนำทองแดงมาใช้จะช่วยเพิ่มความต้านทานการสึกหรอและลดความสามารถในการเชื่อม ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานในปัจจุบัน-ปานกลาง

 

วัสดุทังสเตนเงิน-มีจุดหลอมเหลวและความต้านทานส่วนโค้งสูงมาก แต่ต้องใช้แรงกดสัมผัสสูงและมีความต้านทานต่อการสัมผัสค่อนข้างสูง ทำให้ใช้เป็นหลักในการใช้งานที่รับแรงกระแทกสูง- เช่น หน้าสัมผัสทางไฟฟ้าแบบเลื่อนหรือหน้าสัมผัสแหวนสลิป

 

วัสดุเงิน-นิกเกิลช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนของส่วนโค้งได้อย่างมาก ขณะเดียวกันก็รักษาสภาพการนำไฟฟ้าของเงินบริสุทธิ์ที่ใกล้เคียง-

 

วัสดุแพลเลเดียมเงิน-มีความแข็งสูงและการสึกหรอต่ำ แต่มีราคาแพงกว่า โดยทั่วไปจะใช้ในรีเลย์ที่มีความแม่นยำและมีอายุการใช้งานที่สูงมาก

 

ระบบทองแดง-เงินมีความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีในวงจร-กระแสต่ำ ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีน้ำหนักเบา- เช่น หน้าสัมผัสไฟฟ้าแบบสปริง

 

 

หน้าสัมผัสรีเลย์สมัยใหม่มักใช้การออกแบบโครงสร้างแบบไบเมทัลลิกหรือคอมโพสิต เช่น หน้าสัมผัส Bimetal Ag/Cu หน้าสัมผัส Bimetal แบบหัวเย็น และหน้าสัมผัสหมุดย้ำ Bimetallic โครงสร้างเหล่านี้ทำให้เกิดความสมดุลที่เหมาะสมที่สุดระหว่างต้นทุน การนำไฟฟ้า และอายุการใช้งาน โดยการแบ่งวัสดุระหว่างซับสเตรตที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและชั้นหน้าสัมผัสในการทำงาน

 

ในการใช้งานจริง การเลือกวัสดุหน้าสัมผัสไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับกระแสไฟฟ้าที่กำหนดเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับการพิจารณาอย่างรอบคอบเกี่ยวกับประเภทของโหลด (ตัวต้านทาน อุปนัย ตัวเก็บประจุ) แรงดันไฟฟ้าในการทำงาน สภาพแวดล้อม และอายุการใช้งานที่คาดหวัง สำหรับระบบที่มีความน่าเชื่อถือสูง- นอกเหนือจากการเลือกวัสดุแล้ว มักจะจำเป็นต้องพิจารณารูปร่างหน้าสัมผัสที่เหมาะสม การออกแบบแรงดันหน้าสัมผัส และกลยุทธ์-ในการดับอาร์ก
 

 

หน้าสัมผัสรีเลย์เป็นส่วนประกอบที่สำคัญในระบบไฟฟ้าที่มีแนวโน้มที่จะเกิดความล้มเหลวมากที่สุด และระบบวัสดุของพวกมันจะกำหนดอายุการใช้งานทางไฟฟ้าของรีเลย์และความน่าเชื่อถือของระบบโดยตรง ด้วยการเลือกวัสดุหน้าสัมผัสทางวิทยาศาสตร์ การจับคู่คุณลักษณะโหลดอย่างมีเหตุผล และการใช้โครงสร้างหน้าสัมผัสแบบไบเมทัลลิกหรือคอมโพสิตที่ครบกำหนด จะทำให้อายุการใช้งานของรีเลย์สามารถขยายออกไปได้อย่างมาก ด้วยการพัฒนาพลังงานใหม่ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในยานยนต์ และระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม ความต้องการหน้าสัมผัสทางไฟฟ้าประสิทธิภาพสูงและหน้าสัมผัสโลหะมีตระกูลจะยังคงเติบโตต่อไป และเทคโนโลยีวัสดุหน้าสัมผัสจะยังคงพัฒนาไปสู่ความน่าเชื่อถือที่สูงขึ้นและความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม