为什么今天的先进技术设计不出来一款交流控制继电器，能够不受电源质量扰动的影响。
　　工业电子设备经常会受到电源扰动的影响，特别是电压暂降的影响。美国电力科学研究院（EPRI）对此所作的深入研究表明，很多电子设备关断的祸因都是通用交流继电器。特别是光滑的塑料外壳类似冰块的“冰块”继电器，这些交流继电器很容易受电压暂降的影响，控制系统的其他元件却不容易受到影响。因此，对于整套设备、生产线或者整个工厂来说，它们就像战神的脚腕一样，是致命弱点，微小的电压暂降也会导致关断。
　　控制继电器必定是机电一体化的设备，线圈通电，一个或者多个开关就会动作。早期的工业控制领域，这些器件广泛地应用于自动化体系结构中，现在，很多系统采用基于PLC的控制系统，取代早期的独立控制继电器，完成逻辑相关作业。

　　然而CONTROL ENGINEERING China版权所有，在很多电机控制电路板上，这些简单元件仍旧被大量地采用，还有当两个元件需要相互许可或者连锁时，例如PLC和电机控制中心（MCC）、变频驱动器（VFD）或者其他独立的设备或者控制系统。在安全相关电路板上，硬件控制和连锁被认为是最好的选择，这些场合下，控制继电器也被大量使用。在所有控制继电器应用场合中，最常见的类型就是“冰块”继电器（图1）。

图1  在工业应用中，PLC可以完成很多控制及逻辑相关作业，然而CONTROL ENGINEERING China版权所有，
很多电路板、控制体系和设备仍旧使用通用交流继电器。

　　带有直流线圈的“冰块”继电器通常不易受常见电源质量问题影响，只要他们自己的直流电源没有问题。然而CONTROL ENGINEERING China版权所有，使用交流线圈的“冰块”继电器却极易受常见电源质量问题影响。在一个周期甚至更短的时间内，一旦这些设备的跌落电压为标称电压的70%左右，他们每年将会给商业或者工业设备带来多达13次的设备关断。这些控制继电器的容差举例在IEEE 1346中备案。　
　　EPRI对于交流“冰块”继电器做了详细的测试，测试结果显示这些继电器容易受到短时电压暂降——甚至1/4周期（4毫秒）到一个周期（16.67毫秒）的短时电压暂降。因为电力系统中的大多数故障都无法在低于3个周期或者4个周期的时间内被清除，所以这些继电器容易受到电压暂降的影响（图2）。

图2  此图显示了4台成品交流“冰块”继电器的综合测试结果。平均响应显示这些节电器对于较低电压暂降较为敏感，
不管电压暂降开始于电压波形的0度相位还是开始于90度相位。

　　基于EPRI早期所做的系统兼容性测试，通用工业控制组件，例如PLC、驱动器、电源和电机启动器都与工业电源标准兼容。有数百种控制器件不会受到低达50%标称值的电压暂降的影响，符合工业标准的要求，例如SEMI F47。其他标准，例如IEC 61000-4-11和IEC 61000-4-34对于暂降电压的容差值为40%标称电压。
　　不幸的是，市场上没有对电压暂降免疫的交流“冰块”继电器。其他控制器件在对暂降电压的容差能力上已经获得了跳跃式的进步，然而CONTROL ENGINEERING China版权所有，交流“冰块”继电器却并未获得。由于此种限制，电源质量所带来的问题，仍旧存在于现代设备设计中，也就是这些交流继电器时常出现的应用中。
　　通过对全球工厂电源质量的审查，EPRI发现由电源质量引发的过程关断很大程度上都是由一个简单的交流“冰块”继电器导致。某些工厂在控制体系中采用了数以百计的此类继电器。

图3  这些通用交流继电器的线圈和触点通常安装于透明塑料外壳内，这个外壳类似一个“冰块”。
此图显示了当感应线圈通电之后产生了磁性，导致机械机构被吸引，
以支点为轴使触点发生撬动，根据继电器的状态使电器连接闭合和分断。

　　典型通用交流继电器设计
　　继电器包含一个电感线圈用于产生磁场，框架上可以安装一个或者多个接触片和电气连接（图3）。图4为继电器的机械部分，图4a为常闭状态下，弹簧的弹力使触点闭合；图4b为线圈动作，吸引接触片，闭合电路。电气输入用于激活线圈。

图4 此插图说明了通用交流继电器的机械原理，弹簧的拉力确保常闭触点闭合，由于线圈并未通电，
所以没有电磁场吸引（4a.）。当线圈通电，电磁场拉动枢转机构，是常闭电路断开，是常开电路闭合。

　　通用交流继电器的典型规格如表1所示。数据显示继电器能够在1到2个交流电源周期内进入激活或者非激活状态。在80%到85%的标称电压下，这些继电器可以正确地动作，但是在最低工作电压和跌落电压之间的较宽的范围内，继电器的动作都无法确定。正如暂降电压测试数据显示，在63%和72%的标称电压之间，继电器的状态不定期切换。

　　EPRI研究案例
　　每年，EPRI的电源资料小组都会在全球范围内的制造商现场进行大量的电源质量审查，可以发现，交流“冰块”继电器在几乎所有的制造商现场都被广泛采用。这些继电器在很多自动化系统中用于安全和控制功能，如表2所示。

　　下面有EPRI电源质量小组提供的例子可以揭示交流继电器易扰性所带来的问题。
　　休闲食品厂——一家食品处理厂在附近的变电站开发了高速机械传送切换装置，能够在两条独立馈电电路之间切换。不管切换过程（通常在2到3个周期内）时常发生的电源质量问题会导致设备停机和过程停止。
　　此休闲食品厂与EPRI接洽，进行现场电源质量审查，以确定合适的方案，保证在电源质量故障时生产系统仍旧能够维持作业。

　　表3总结了在过去1.4年的时间内电源质量问题的发生情况。几乎所有电压暂降的发生都小于5个周期，大多数在3个周期或者小于3个周期，关于此工厂中“冰块”继电器的电压暂降低于75%。
　　大约16个电压暂降（平均每年11个）会影响工厂中的继电器CONTROL ENGINEERING China版权所有，一旦控制面板中的交流“冰块”继电器满足了SEMI F47标准要求，每年由于电压暂降所导致的整体面板关断将低于2次或者3次。
　　纸杯厂——如果交流“冰块”继电器没有使用得那么普遍，那么他们的问题一定不会这么严重。不幸的是，这些继电器无处不在，也几乎遍及了工业和工厂过程电子控制应用中的每一个环节。
　　一些空气压缩机控制单元的设计采用了交流继电器，纸杯厂有11台空气压缩机，在这家工厂中，压缩空气在每一个作业环节都很重要，因为各种各样的机械执行器都使用压缩空气，驱动灌装的传送带将纸杯从一处送到另一处，所以，电源质量问题导致压缩空气停止，将会导致整个工厂作业的停滞。
　　使用电源质量监视器对工厂现场每一条线路的电压暂降进行监视，发现持续时间只有0.96周期，电压暂降为84.9%RMS。然而CONTROL ENGINEERING China版权所有，实际电压暂降值接近峰值电压的20%，持续时间1/2故障周期。此故障是工厂空气压缩机停止——罪魁祸首就是控制体系中的很多“冰块”继电器。
　　半导体工厂——很小的电压暂降就会给半导体工厂带来1百万美金的损失或者更多，在90年代后期，EPRI进行了一个研究项目，针对为什么半导体工具易受电压暂降影响。令人意外的是，在电压暂降过程中大多数设备关断的原因竟然就是因为在紧急关断（EMO）电路设计中采用了交流“冰块”继电器。如表4所示，EPRI最初进行电压暂降测试的33种工具中，几乎半数的工具由于电压暂降影响了EMO电路中的“冰块”继电器而导致关断。
　　通常由较小的EMO辅助继电器驱动主触点www.cechina.cn，将电源施加在半导体工具上。如果EMO继电器的设计使用了交流“冰块”单元CONTROL ENGINEERING China版权所有，整个工具在电压暂降测试中就会失去电源，此项发现改进了300mm半导体工具的设计，因此，大多数300mm半导体工具符合SEMI F47标准要求。
　　讽刺的是，由于200mm设备薄片加工技术的进步和经济的发展，200mm工具的寿命极大地延长，远超预期，因此，很多200mm设计仍旧在服役当中，导致工厂中还能够见到使用交流“冰块”继电器的古老的EMO电路设计。

　　急需改进
　　现代工业要求更好的设计，以取代标准交流“冰块”继电器。一旦符合SEMI F47标准的要求，很多电源质量相关的关断就可以避免。而且，工业工厂每年可以节省由停机所导致的几十万甚至上百万美元的损失，对于全世界范畴来说，此数额将更加巨大。
　　为此，控制器件生产厂商应该开发一种不易受电压暂降影响的交流控制继电器。这些设备的改进将会在全世界范围内降低有电源质量问题带来的关断成本。

交流继电器抗干扰的设计挑战

　　EPRI正在号召控制器件生产厂商开发新型控制继电器，提升对电压暂降的抗干扰能力。最理想的情况，继电器改进所带来的市场成本不会高到足以阻止业界对此技术的采纳。大体上说，改进的设计需要满足如下要求：
　　1.此单元应该符合SEMI F47-0706电压暂降标准，要求设备能够通过最低50%标称电压的测试。此单元在低于50%的跌落电压下允许失效。
　　a.如果能够满足更严格的40%标称电压的约束电压（IEC 61000-4-11和IEC 61000-4-34标准），那么就超过了基本要求。
　　b.愿意接受挑战的生产厂商鼓励争取达到40%标称电压的约束电压。
　　2.此单元不应该超过现有同样触点数量的交流“冰块”继电器设计的物理尺寸。
　　3.此单元必须使用交流电源工作。
　　4.此单元应该提供标准触点，例如双刀双掷、三刀双掷和四刀双掷触点。
　　5.此单元应该使用标准封装和引脚形式，便于更换现有应用中的继电器。
　　6.此单元的闭合和分断动作时间应该与通用交流“冰块”继电器类似，便于匹配现有应用控制工程网版权所有，典型的规格从9毫秒到25毫秒不等。
　　7.典型规格的跌落电压应该保持一致，通常从10%到30%标称电压不等。
　　愿意投身此设计项目中以证明其能力能够满足或者超过这些要求的生产厂商青鱼EPRI联系，EPRI将会提供如下三种协助：
　　1.提供试验台以证明新继电器设计对于电压暂降的抗扰能力。完成测试、备案性能并将结果反馈给参与的供应商。
　　2.为原型机开发实际现场应用以验证其在这些场合下是否能够取代现有控制系统中的“冰块”继电器，备案改性设计的性能。
　　3.通过使用电力行业经费来源，为客户提供合适的新技术性能提升的相关信息（白纸、小册子、总结测试结果、案例研究等等）。