La funzione e gli scenari applicativi dei relè

I. La funzione principale dei relè

La funzione dei relè ruota attorno a tre aspetti fondamentali: 'conversione del segnale', 'controllo del circuito' e 'protezione di sicurezza'. Attraverso l'on-off di contatti meccanici o strutture senza contatto, raggiungono funzioni di controllo elettrico multidimensionali. Nello specifico possono essere classificati nelle seguenti cinque grandi categorie:

(1) Amplificazione del segnale e conversione di potenza

Questa è una delle funzioni fondamentali di un relè. Nei circuiti di controllo, i segnali emessi dai controller (come microcomputer a chip singolo, PLC e sensori) sono spesso correnti deboli e piccole (solitamente a livello di milliampere), che non possono azionare direttamente carichi ad alta potenza come motori e riscaldatori. I relè convertono i segnali elettrici deboli in forza elettromagnetica attraverso bobine elettromagnetiche, determinando la chiusura o l'apertura dei contatti e quindi controllando l'attivazione/disattivazione di grandi correnti (a livello di ampere o addirittura di kiloampere) nel circuito principale. Ad esempio, il segnale di attivazione da 10 mA rilevato dal sensore, dopo essere stato amplificato dal relè, può controllare l'avvio di un motore da 10 A, ottenendo la conversione di potenza di un 'piccolo segnale che controlla alta potenza' e risolvendo il problema della mancata corrispondenza tra la capacità di uscita del controller e la richiesta di carico.

(2) Isolamento del circuito e protezione di sicurezza

Il circuito della bobina e il circuito dei contatti di un relè sono completamente isolati elettricamente, caratteristica che lo rende un componente chiave per la protezione della sicurezza del circuito. Da un lato, isolare i circuiti ad alta e bassa tensione per evitare che l'alta tensione entri nel circuito di controllo e danneggi i dispositivi di controllo di precisione. Ad esempio, nelle apparecchiature industriali, il circuito principale da 380 V e il circuito di controllo da 24 V sono isolati tramite relè per impedire che l'alta tensione rompa il PLC o il microcomputer a chip singolo. D'altro canto, isolare i circuiti di segnale forti e deboli, ridurre le interferenze elettromagnetiche e garantire la stabilità dei segnali di controllo. Inoltre, quando i contatti del relè sono disconnessi, possono sopportare una resistenza alla rottura di tensione relativamente elevata, interrompendo efficacemente i circuiti difettosi, prevenendo la diffusione di rischi come cortocircuiti e perdite e migliorando la sicurezza del sistema circuitale.

(3) Controllo logico e conversione del segnale

I relè possono realizzare operazioni logiche complesse e funzioni di conversione del segnale attraverso progetti come combinazioni multicontatto e strutture di ritardo. Ad esempio, utilizzando le combinazioni in serie e in parallelo di più relè, è possibile ottenere controlli logici di base come 'e', 'OR' e 'non', soddisfacendo i requisiti di collegamento del processo nel sistema di automazione. I relè temporizzati possono convertire segnali di attivazione istantanei in segnali on-off ritardati, consentendo l'avvio ritardato e il controllo sequenziale delle apparecchiature (come la commutazione ritardata nell'avvio stella-triangolo dei motori). I relè intermedi possono espandere un singolo segnale a più uscite, consentendo a un segnale di controllo di pilotare il funzionamento sincrono di più carichi e semplificando la progettazione del circuito di controllo.

(4) Controllo remoto e collegamento dell'automazione

I relè supportano il controllo remoto tramite segnali elettrici, eliminando la necessità di un contatto manuale diretto con circuiti ad alta tensione e ad alto rischio. Sono componenti fondamentali dei sistemi di automazione e telecontrollo. Nell'automazione industriale, i segnali elettrici inviati dall'operatore attraverso la console di controllo guidano il funzionamento delle apparecchiature di produzione tramite relè. Nelle case intelligenti, i segnali wireless inviati dalle app del telefono cellulare vengono convertiti in segnali elettrici e quindi utilizzati per controllare l’accensione e lo spegnimento di dispositivi come luci, condizionatori e serrature tramite relè. Nel sistema energetico, le istruzioni remote provenienti dal centro di dispacciamento vengono trasmesse tramite relè per chiudere e aprire da remoto linee di trasmissione e trasformatori, migliorando la comodità e la flessibilità del controllo.

(V) Protezione da sovraccarico e guasto

Alcuni relè specializzati (come relè termici, relè di sovracorrente e relè di sottotensione) sono dotati di funzioni di rilevamento e protezione dei guasti. Possono monitorare parametri come corrente e tensione nel circuito in tempo reale. Quando si verifica un'anomalia, interromperanno automaticamente il circuito per proteggere la sicurezza delle apparecchiature e delle linee. Ad esempio, un relè termico rileva la corrente nell'avvolgimento del motore. Quando la corrente è sovraccarica, la striscia bimetallica interna si deforma a causa del calore, provocando l'apertura del contatto e interrompendo l'alimentazione del motore, evitando che il motore si bruci per surriscaldamento. Il relè di sottotensione scatta automaticamente quando la tensione di rete è troppo bassa, impedendo il funzionamento dell'apparecchiatura in sovraccarico a bassa tensione. I relè di sovracorrente possono interrompere rapidamente le correnti di cortocircuito e prevenire incidenti di sicurezza come incendi sulla linea.

II. Scenari applicativi tipici dei relè

Gli scenari applicativi dei relè coprono molteplici campi come la produzione industriale, la casa intelligente, i trasporti, i sistemi di alimentazione e le apparecchiature elettroniche. La loro selezione e funzioni sono adattate alle esigenze principali di diversi scenari. Di seguito la spiegazione dettagliata degli scenari applicativi più rappresentativi:

(1) Settore dell'automazione industriale

L'automazione industriale è lo scenario applicativo più importante per i relè. Quasi tutte le apparecchiature di produzione automatizzate non possono fare a meno del controllo e della protezione dei relè. Le applicazioni principali includono:

Collegamento del sistema di controllo PLC: il PLC (controllore logico programmabile) è il nucleo del controllo industriale, ma la capacità di carico dell'interfaccia di uscita PLC è limitata (solitamente ≤ 0,5 A) e non può azionare direttamente attuatori come contattori ed elettrovalvole. A questo punto è necessario un relè intermedio come 'relè'. Il segnale di uscita del PLC attiva la bobina del relè intermedio e il contatto di grande capacità del relè intermedio aziona quindi la bobina del contattore, controllando così l'avvio e l'arresto di apparecchiature ad alta potenza come motori, nastri trasportatori e bracci meccanici. Ad esempio, in una linea di produzione automobilistica, il PLC controlla il movimento dei robot di saldatura, l'accensione/spegnimento delle apparecchiature di verniciatura e la regolazione della velocità delle linee di assemblaggio tramite relè intermedi, ottenendo un collegamento preciso nel processo di produzione automatizzato.

Controllo e protezione dei motori: i motori sono la principale fonte di energia nella produzione industriale. Il loro avvio, arresto, rotazione avanti e indietro, nonché la protezione dai guasti richiedono tutti l'intervento di relè. Ad esempio, quando un motore si avvia, un contattore (essenzialmente un relè ad alta potenza) viene utilizzato per controllare l'accensione e lo spegnimento del circuito principale, un relè termico fornisce protezione da sovraccarico e un relè temporizzato realizza la commutazione ritardata dell'avviamento stella-triangolo (riducendo l'impatto della corrente di avviamento sulla rete elettrica). Nelle apparecchiature delle macchine utensili, i relè possono anche ottenere il controllo della rotazione avanti e indietro dei motori (come la rotazione avanti e indietro del mandrino di un tornio e la commutazione del movimento di avanzamento) e prevenire guasti da cortocircuito attraverso l'interblocco dei contatti.

Controllo della sequenza della linea di produzione: nella produzione in catena di montaggio, i relè vengono utilizzati per ottenere l'avvio e l'arresto sequenziale delle apparecchiature, garantendo la continuità del processo di produzione. Ad esempio, in una linea di produzione di imballaggi alimentari, è necessario avviare prima il nastro trasportatore, seguito dall'attrezzatura di riempimento, dall'attrezzatura per la sigillatura, dall'attrezzatura per l'etichettatura e infine dall'attrezzatura per il rilevamento. Attraverso la combinazione di relè temporizzati e relè intermedi, il ritardo di avvio di ciascun dispositivo viene impostato per ottenere il controllo sequenziale di 'prima avvio e poi arresto'. Nella produzione chimica, i relè controllano la sequenza di riscaldamento, agitazione, alimentazione e scarico dei recipienti di reazione. Nel frattempo, la pressione e la temperatura all'interno del recipiente di reazione vengono monitorate tramite relè di pressione e relè di temperatura. Quando i parametri superano lo standard, l'apparecchiatura pertinente viene automaticamente interrotta per garantire la sicurezza della produzione.

(2) Settori della domotica intelligente e dell'automazione degli edifici

Con lo sviluppo della tecnologia Internet of Things (IoT), i relè sono diventati componenti di controllo fondamentali nelle case intelligenti e nell'automazione degli edifici, consentendo il 'controllo senza contatto' e il 'funzionamento remoto'. Le applicazioni principali includono:

Controllo degli elettrodomestici e dell'illuminazione: in un sistema di casa intelligente, il modulo relè è la chiave per connettere i segnali wireless (Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee) con gli elettrodomestici. Ad esempio, gli interruttori intelligenti sono dotati di relè integrati. Attraverso le istruzioni impartite dalle app del telefono cellulare o dagli assistenti vocali (come Xiaoai e Tmall Genie), possono controllare l'accensione e lo spegnimento di dispositivi come luci, prese, condizionatori e TV. La tenda intelligente realizza l'apertura e la chiusura automatica della tenda facendo ruotare il motore avanti e indietro attraverso un relè. La serratura intelligente controlla l'interruttore elettromagnetico del corpo della serratura attraverso un relè per ottenere lo sblocco remoto e la chiusura della serratura dopo lo sblocco della password.

Interblocco di sicurezza degli edifici e protezione antincendio: negli edifici adibiti ad uffici, comunità residenziali e altri edifici, i relè vengono utilizzati per il controllo di interblocco dei sistemi di sicurezza e protezione antincendio. Ad esempio, quando il sensore di fumo o l'allarme a infrarossi rileva un'anomalia, attiva il relè, che a sua volta attiva l'allarme sonoro e luminoso per far suonare l'allarme, l'ascensore per effettuare un atterraggio di emergenza, la porta avvolgibile ignifuga per chiudersi e l'illuminazione di emergenza per accendersi. Nel sistema antincendio, i relè possono anche controllare l'avvio delle pompe sprinkler e dei ventilatori di scarico dei fumi, nonché la pressurizzazione degli idranti, garantendo l'evacuazione del personale e le esigenze di lotta antincendio in caso di incendio.

Controllo HVAC: nel sistema di climatizzazione centralizzato degli edifici, i relè vengono utilizzati per controllare l'avvio e l'arresto delle unità di climatizzazione, regolare la velocità dei ventilatori e aprire e chiudere le elettrovalvole. Ad esempio, il sensore di temperatura rileva la temperatura interna. Quando la temperatura supera il valore impostato, il controller attiva il relè per avviare il compressore e il ventilatore. Quando scende al di sotto del valore impostato, l'alimentazione viene interrotta. Nel sistema di aria fresca, il relè controlla l'avvio e l'arresto del ventilatore dell'aria fresca e la regolazione del volume dell'aria e, allo stesso tempo, collega l'accensione e lo spegnimento del purificatore d'aria per migliorare la qualità dell'aria interna.

(3) Settore dei trasporti

I sistemi elettrici dei veicoli di trasporto (automobili, treni, navi, aerei) sono complessi e richiedono requisiti estremamente elevati in termini di affidabilità, resistenza alle vibrazioni e resistenza alle alte e basse temperature dei relè. Le applicazioni principali includono:

Sistemi elettrici automobilistici: i relè nelle automobili sono ampiamente utilizzati nel controllo dell'illuminazione, nei sistemi di avviamento, nei sistemi di condizionamento dell'aria, nei sistemi antifurto, ecc. Ad esempio, il controllo dei fari delle automobili, degli indicatori di direzione e delle luci dei freni deve essere effettuato tramite relè (i relè specifici per il settore automobilistico hanno caratteristiche impermeabili e antivibranti) per evitare che gli interruttori siano direttamente soggetti a grandi correnti e si brucino. Nel sistema di avviamento, l'interruttore di accensione attiva il relè di avviamento e il contatto ad alta potenza del relè di avviamento collega l'alimentazione del motorino di avviamento, avviando il motore (la corrente di lavoro del motorino di avviamento può raggiungere diverse centinaia di ampere ed è necessario un relè per ottenere un piccolo controllo della corrente). Inoltre, la frizione del compressore dell'aria condizionata dell'auto, il motore di sollevamento delle porte e dei finestrini elettrici, il dispositivo di allarme dell'impianto antifurto, ecc., sono tutti controllati e protetti tramite relè.

Sistemi di trasporto ferroviario: i sistemi di controllo elettrico delle ferrovie ad alta velocità, delle metropolitane e di altri sistemi di trasporto ferroviario si basano su relè per ottenere il collegamento del segnale e la protezione della sicurezza. Ad esempio, nel sistema di trazione di un treno, i relè controllano l'avviamento, la regolazione della velocità e la frenatura del motore di trazione. Nel sistema di segnali, i segnali di rilevamento del circuito di binario vengono convertiti in segnali di controllo tramite relè per ottenere il blocco di sezione del treno (per evitare tamponamenti). Nel controllo delle porte, il relè collega il motore dell'interruttore delle porte e la serratura di sicurezza per garantire che le porte si aprano e si chiudano esattamente quando il treno arriva alla stazione e rimangano bloccate durante la circolazione del treno. Inoltre, i relè vengono utilizzati anche per controllare i sistemi di climatizzazione, illuminazione e ventilazione dei treni per garantire il comfort dei passeggeri.

Sistemi elettrici di navi e aerei: il sistema di alimentazione, il sistema di navigazione e il sistema di comunicazione delle navi richiedono tutti il ​​controllo di relè. Ad esempio, l'avvio e l'arresto del motore principale di una nave, il controllo della timoneria e l'azionamento delle apparecchiature di coperta (gru, gru di ancoraggio) sono tutti ottenuti tramite relè per controllare apparecchiature ad alta potenza con bassa tensione e hanno anche la caratteristica di essere impermeabili e resistenti alla corrosione in nebbia salina. Nel sistema avionico di un aereo, i relè vengono utilizzati per controllare apparecchiature come l'avviamento del motore, la retrazione e l'estensione del carrello di atterraggio, l'aria condizionata in cabina e le luci di volo. Devono avere un'affidabilità estremamente elevata (con tolleranza ai guasti estremamente bassa) e la capacità di resistere ad ambienti estremi (temperature alte e basse, altitudini elevate e forti vibrazioni).

(4) Sistema energetico e campo energetico

I collegamenti di generazione, trasmissione e distribuzione dell’energia del sistema energetico hanno requisiti estremamente elevati di sicurezza e stabilità. I relè, in quanto componenti fondamentali di controllo e protezione, garantiscono il funzionamento affidabile della rete elettrica.

Controllo della linea di trasmissione e distribuzione: nelle linee di trasmissione ad alta tensione, i relè (come relè a vuoto e relè SF6) vengono utilizzati per il controllo di chiusura e apertura delle linee. Il centro di dispacciamento attiva i relè affinché agiscano tramite segnali remoti, ottenendo il controllo remoto delle linee di trasmissione. Nei trasformatori di distribuzione, i relè vengono utilizzati per la protezione da sovraccarico e la protezione dal gas (per trasformatori in olio). Quando si verifica un sovraccarico o un guasto interno nel trasformatore, il relè interrompe rapidamente l'alimentazione per impedire l'espansione del guasto.

Automazione delle sottostazioni: le sottostazioni sono i 'hub' del sistema energetico e il loro controllo automatico si basa su un gran numero di relè. Ad esempio, il relè di tensione monitora la tensione del bus e fa intervenire il dispositivo di regolazione della tensione quando la tensione è troppo alta o troppo bassa. Il relè di corrente monitora la corrente di linea per ottenere la protezione da sovracorrente. I relè temporizzati vengono utilizzati nei dispositivi di richiusura (dopo l'intervento di un guasto di linea, si chiudono automaticamente dopo un ritardo per migliorare l'affidabilità dell'alimentazione). Inoltre, i relè vengono utilizzati anche nel controllo dei dispositivi di compensazione della potenza reattiva nelle sottostazioni. Commutando i banchi di condensatori, regolano il fattore di potenza della rete elettrica e riducono il consumo di energia.

Nuovi sistemi di generazione di energia: nei nuovi sistemi di generazione di energia come l'energia fotovoltaica ed eolica, i relè vengono utilizzati per la commutazione del circuito e la protezione di sicurezza. Ad esempio, la commutazione tra inverter fotovoltaici e rete elettrica deve essere effettuata tramite relè. Quando si verifica un guasto alla rete elettrica, il relè interrompe rapidamente il circuito connesso alla rete per impedire al sistema fotovoltaico di trasmettere corrente di guasto alla rete elettrica. Nei sistemi di energia eolica, i relè controllano l'avvio e l'arresto delle turbine eoliche, la direzione del sistema di imbardata (tracciamento della direzione del vento) e, allo stesso tempo, i relè di sovracorrente proteggono i generatori per evitare il funzionamento in sovraccarico quando la velocità del vento è troppo elevata.

(V) Apparecchiature elettroniche e settore delle comunicazioni

Nelle apparecchiature di precisione come l'elettronica di consumo, i dispositivi di comunicazione e l'elettronica medica, i relè vengono utilizzati principalmente per la conversione del segnale, l'isolamento del circuito e il controllo. Le applicazioni principali includono:

Controllo dell'elettronica di consumo: negli elettrodomestici come televisori, lavatrici e frigoriferi, i relè vengono utilizzati per la commutazione dell'alimentazione, la commutazione della modalità e la protezione dai guasti. Ad esempio, l'avvio e l'arresto della valvola di ingresso dell'acqua, della pompa di scarico e del motore della lavatrice sono controllati da relè per ottenere il collegamento del programma di lavaggio, risciacquo e disidratazione. L'avvio e l'arresto del compressore del frigorifero sono controllati da un relè. Quando la temperatura all'interno della scatola raggiunge il valore impostato, il relè interrompe l'alimentazione al compressore. Dopo che la temperatura aumenta nuovamente, si riavvia. Il relè di alimentazione del televisore può passare rapidamente dalla modalità standby a quella accesa, riducendo il consumo energetico in standby.

Commutazione del segnale delle apparecchiature di comunicazione: nei dispositivi di comunicazione come router, switch e stazioni base, i relè vengono utilizzati per la commutazione del collegamento del segnale e la protezione dai fulmini. Ad esempio, nelle apparecchiature delle stazioni base, i relè vengono utilizzati per commutare i segnali in radiofrequenza (come la commutazione del collegamento primario e di backup), garantendo la continuità dei segnali di comunicazione. Il relè nel router viene utilizzato per la protezione contro i fulmini della porta Ethernet. Quando viene colpito da un fulmine, il relè cortocircuita rapidamente per scaricare la corrente del fulmine, proteggendo i chip interni del dispositivo. Nei data center i relè vengono utilizzati anche per la commutazione ridondante degli alimentatori dei server. Quando l'alimentazione principale viene a mancare, passa rapidamente all'alimentazione di backup per garantire che i dati non vadano persi.

Controllo delle apparecchiature elettroniche mediche: le apparecchiature elettroniche mediche (come ventilatori, macchine per elettrocardiogramma e strumenti diagnostici a ultrasuoni) hanno requisiti estremamente elevati di sicurezza e stabilità elettrica. I relè vengono utilizzati per l'isolamento del circuito e un controllo preciso. Ad esempio, in un ventilatore, i relè controllano l'apertura e la chiusura della valvola del flusso d'aria e la regolazione del volume di erogazione dell'ossigeno. I relè di isolamento vengono utilizzati per prevenire interferenze elettriche tra il circuito di controllo e il circuito di contatto del paziente, garantendo la sicurezza del paziente. In un elettrocardiografo, i relè vengono utilizzati per la commutazione del segnale (come la commutazione tra derivazioni diverse) per garantire la raccolta precisa dei segnali di rilevamento. Nel sistema di alimentazione delle apparecchiature mediche, i relè vengono utilizzati anche per la protezione da sovraccarico e protezione dalle perdite per evitare che guasti alle apparecchiature causino danni al personale medico e ai pazienti.

(6) Settori dell'agricoltura e della sicurezza

Controllo dell'automazione agricola: nell'agricoltura moderna, i relè vengono utilizzati nei sistemi di irrigazione, nel controllo delle serre e nel controllo automatico delle attrezzature di allevamento. Ad esempio, in una serra, un sensore di umidità rileva l'umidità del suolo. Quando l'umidità scende al di sotto del valore impostato, un relè attiva l'avvio della pompa dell'acqua, ottenendo l'irrigazione automatica. Il sensore di temperatura controlla l'accensione e lo spegnimento delle lampade riscaldanti e delle ventole di ventilazione per mantenere una temperatura e un'umidità costanti all'interno della serra. In acquacoltura, i relè controllano l'avvio e l'arresto degli aeratori (che si avviano automaticamente quando l'ossigeno disciolto nell'acqua è insufficiente) e l'alimentazione temporizzata degli alimentatori, migliorando così l'efficienza dell'acquacoltura.

Sistema di monitoraggio della sicurezza: nei sistemi di sicurezza, i relè vengono utilizzati per il collegamento tra dispositivi di allarme e attuatori. Ad esempio, quando i rilevatori a raggi infrarossi e i sensori magnetici per porte e finestre rilevano intrusi illegali, attivano azioni relè, che a loro volta attivano allarmi sonori e luminosi, telecamere di sorveglianza per registrare video e sistemi di controllo degli accessi per chiudere. In luoghi importanti come banche e musei, i relè possono essere collegati anche al sistema antincendio e alle porte di passaggio di emergenza. Quando si verifica un'emergenza, apriranno automaticamente il passaggio di emergenza e contemporaneamente interromperanno le fonti di energia non necessarie.