Если ввести в поиск “типы электрических компонентов”, в большинстве результатов вы увидите список резисторов, конденсаторов и транзисторов — основных элементов печатных плат. Это полезно, если вы ремонтируете зарядное устройство для телефона. Но мир электрических компонентов гораздо шире того, что помещается на печатной плате. Если вы когда-нибудь стояли перед пультом управления двигателем, гуляли по производственному цеху или открывали таблицу закупок для промышленного проекта, то вам это уже известно.

Размеры электрических компонентов варьируются от устройств размером в миллиметры до оборудования размером с холодильник. Они работают с мощностями от милливатт до мегаватт. Их задача заключается не только в обработке сигналов, но и в распределении энергии, управлении двигателями, защите цепей и обеспечении бесперебойной работы целых производственных линий.

В данном руководстве рассматриваются основные типы электрических компонентов с точки зрения промышленности: что это за компоненты, как они классифицируются и где их можно встретить в реальных системах.

Что такое электрические компоненты?

Электрический компонент — это любое отдельное устройство, выполняющее определённую функцию в электрической системе: ограничение тока, накопление энергии, переключение цепи, преобразование напряжения или измерение физического параметра. Согласно «Международному электротехническому словарю» (IEC 60050) этот термин охватывает всё — от крошечного резистора для поверхностного монтажа до силового трансформатора размером с шкаф.

Вот в чём заключается различие, которое упускают из виду большинство вводных руководств: Электрические компоненты — это не то же самое, что электронные компоненты.

Электронные компоненты работают на уровне сигналов — от милливатт до нескольких ватт — и обрабатывают информацию на печатных платах. Можно сравнить их с нервной системой: они воспринимают, обрабатывают и передают информацию. Электрические компоненты работают с мощностью — от десятков ватт до мегаватт — распределяя энергию и выполняя физическую работу. Они представляют собой «мышцы» и «скелет» промышленной системы.

Резистор на плате Arduino — это электронный компонент. Тормозной резистор, рассеивающий сотни ватт тепла от частотно-регулируемого привода, — это электрический компонент. Тот же принцип, но совсем другой уровень.

Как классифицируются электрические компоненты

Прежде чем углубляться в отдельные типы, полезно ознакомиться с общей схемой. Стандартная для отрасли классификация — соответствующая структуре словаря данных IEC 61360 для электрических компонентов — подразделяет все на три широких семейства:

Данная система охватывает все электрические компоненты, с которыми вам, вероятно, придется столкнуться — от управляющего трансформатора, питающего ПЛК, до автоматического выключателя в литом корпусе, защищающего питающую линию двигателя. Давайте рассмотрим каждую категорию.

Пассивные компоненты — регуляторы энергопотребления

Пассивные компоненты объединяет одна общая черта: они не обеспечивают усиление. Они управляют энергией — накапливают, рассеивают или передают её — но никогда не усиливают сигнал. Несмотря на название, их важность отнюдь не является «пассивной». Без них ни одна электрическая система не проработает дольше доли секунды.

Представьте себе пассивные компоненты как систему организации дорожного движения в электрической сети: резисторы ограничивают поток (как лежачие полицейские), конденсаторы накапливают и высвобождают энергию (как парковки), индукторы противодействуют резким изменениям (как маховики), а трансформаторы изменяют уровни напряжения (как коробки передач).

Резисторы и конденсаторы — регулирование тока и накопление энергии

Резисторы делают именно то, что подсказывает их название: они препятствуют протеканию тока. В промышленных условиях вы столкнётесь с фиксированными силовыми резисторами номинальной мощностью от 5 до более чем 500 ватт — а не с крошечными углеродно-плёночными резисторами мощностью в четверть ватта на печатной плате. Эти резисторы выдерживают значительное тепло: тормозные резисторы в частотно-регулируемых приводах, резисторы заземления нейтрали в распределительных системах и нагревательные элементы в промышленном оборудовании. Наибольшее значение имеют два показателя: сопротивление в омах (Ом) и номинальная мощность. Если неправильно подобрать номинальную мощность, резистор сгорит за считанные секунды.

Конденсаторы накапливают энергию в электрическом поле и высвобождают её при необходимости. В промышленности наиболее важным видом таких конденсаторов являются конденсаторы коррекции коэффициента мощности (PFC). Электросети промышленных предприятий потребляют как активную мощность (которая выполняет работу), так и реактивную мощность (которая просто колеблется в проводке). Конденсаторы PFC — как правило, с номинальной мощностью от 5 до 50 кВАр и устанавливаемые в батареях размером с шкаф — компенсируют реактивную мощность, снижая расходы на электроэнергию и предотвращая штрафы со стороны энергоснабжающих компаний. Кроме того, на шине постоянного тока каждого частотно-регулируемого привода (VFD) установлены электролитические конденсаторы (номинальным напряжением 400 В или 450 В постоянного тока), которые сглаживают выпрямленный переменный ток, преобразуя его в чистый постоянный ток для инверторного каскада.

Индукторы и трансформаторы — Техника магнитных полей

Индукторы накапливают энергию в магнитном поле и противодействуют изменениям силы тока. В промышленных системах наиболее распространённым их вариантом является дроссель — катушка из меди или алюминия, намотанная на железный сердечник. Линейные реакторы (с типичным импедансом от 3% до 6%) устанавливаются на входе частотно-регулируемых приводов, защищая сеть от гармонических искажений, а привод — от скачков напряжения. Дроссели шины постоянного тока выполняют аналогичную сглаживающую функцию на стороне постоянного тока.

Трансформеры передача переменного тока между цепями посредством электромагнитной индукции, повышение или понижение напряжения без изменения частоты. Промышленные трансформаторы управления — номинальной мощностью от 50 ВА для небольшой панели до 5 кВА для большого шкафа — преобразуют сетевое напряжение 480 В или 230 В в 24 В или 120 В для цепей управления. В сегменте мощных устройств распределительные трансформаторы работают в диапазоне от 50 кВА до 2500 кВА и более, питая целые участки завода. Ключевые технические характеристики включают номинальную мощность в кВА, напряжение на первичной и вторичной обмотках, а также класс изоляции — класс H (180 °C) широко используется в промышленных устройствах, которые сильно нагреваются в закрытых помещениях.

Активные и полупроводниковые компоненты — контроллеры

Если пассивные компоненты — это дорожные знаки, то активные компоненты — это светофоры и диспетчерская. Для работы им требуется внешнее питание, и их задача заключается в том, чтобы принимать решения когда энергетические потоки, сколько, и в каком направлении. Любая автоматизированная система — от конвейерной ленты до станка с ЧПУ — зависит от активных компонентов, которые принимают решения и выполняют их.

Диоды и транзисторы — основные элементы систем управления

Диоды являются простейшими полупроводниками: ток протекает только в одном направлении, а не в обратном. Основным элементом промышленной силовой электроники является выпрямительный диод, который преобразует переменный ток в постоянный в источниках питания и зарядных устройствах. Например, выпрямительный диод 1N4007 выдерживает пиковое обратное напряжение до 1000 В. Диоды Шоттки обеспечивают меньшее падение напряжения в прямом направлении для высокочастотных импульсных источников питания. Диоды Зенера служат в качестве точных эталонов напряжения в схемах стабилизации. А в каждой катушке реле и контакторе на панели управления вы найдёте обратно-ударный диод, поглощающий индуктивный обратный удар, который в противном случае мог бы вывести из строя расположенные поблизости полупроводники.

Транзисторы являются настоящими переключателями и усилителями современной электроники. В промышленных применениях доминирует МОСФЕТ — это управляемый напряжением переключатель, выдерживающий напряжение 600 В или 1200 В при силе тока в десятки ампер, выполненный в массивных корпусах TO-247 или TO-220 с привинчиваемыми радиаторами. Трехфазный инвертор привода двигателя по сути представляет собой шесть или более МОП-транзисторов или IGBT, соединенных в мостовую схему, которые переключаются тысячи раз в секунду для формирования выходного переменного тока с переменной частотой.

Интегральные схемы и источники питания — интеллектуальные решения и преобразование

Интегральные схемы (ИС) уместить миллионы или миллиарды транзисторов в одном кремниевом чипе. На производстве интегральные схемы используются в процессорах ПЛК, платах управления приводами двигателей и коммуникационных модулях. Они являются «мозгом» системы — выполняют алгоритмы управления, обрабатывают данные с датчиков и отправляют команды на выходной каскад.

Блоки питания устраняют разрыв между сетью и системой управления. Промышленным стандартом является импульсный источник питания для монтажа на DIN-рейку: компактное устройство в металлическом корпусе, которое защелкивается на стандартной 35-миллиметровой DIN-рейке внутри шкафа управления и преобразует сетевое напряжение 85–264 В переменного тока в стабилизированное выходное напряжение 24 В постоянного тока. Эта шина 24 В — определённая стандартом IEC 61131-2 как универсальное управляющее напряжение — питает каждый ПЛК, датчик, реле и интерфейс человека-машины (HMI) в шкафу. Мощность таких источников питания варьируется от 15 Вт (для питания нескольких датчиков) до 480 Вт и более (для работы всей панели управления). Современные устройства достигают КПД более 90 % и оснащены встроенной защитой от перегрузки, короткого замыкания, перенапряжения и перегрева — обычно обозначаемой в техническом паспорте как OLP, SCP, OVP и OTP. При оценке промышленного источника питания обращайте внимание, как минимум, на соответствие требованиям CE и RoHS, а также на универсальный диапазон входного напряжения 85–264 В переменного тока — это означает, что устройство будет работать в любой точке мира без необходимости ручного выбора напряжения.

Электромеханические и защитные компоненты — «рабочие» и «стражи»

Именно в этом заключается наиболее заметная разница между электротехникой и электроникой. Электромеханические компоненты выполняют физические действия — замыкают и размыкают цепи, устанавливают и разрывают соединения, определяют близость и положение. Именно их вы ощущаете на ощупь, слышите и видите, когда открываете дверцу распределительного шкафа.

Выключатели, реле и автоматические выключатели — от ручного к автоматическому управлению

Переключатели являются самым простым элементом управления: парой контактов, которые соединяются или размыкаются. В промышленности микровыключатель (или концевой выключатель) является основным элементом — это небольшой выключатель с механическим приводом, срабатывающий под действием физического объекта, прижимающегося к его рычагу или плунжеру. Он сигнализирует системе управления о том, что деталь машины достигла конца своего хода. Кнопочные выключатели присутствуют на каждой панели управления; они рассчитаны на нагрузки категорий AC-15 (управление переменным током) или DC-13 (управление постоянным током) и размещены в корпусах с классом защиты IP65 или IP67, которые защищают от пыли и брызг при промывке.

Реле Возьмем принцип работы выключателя и преобразуем его в электромагнитный механизм. При подаче напряжения на катушку — как правило, 24 В постоянного тока или 230 В переменного тока — возникающее магнитное поле сближает пару контактов. Таким образом, управляющий сигнал малой мощности включает цепь гораздо большей мощности. Стандартное промышленное реле может переключать ток 10 А при напряжении 250 В переменного тока через контакты, рассчитанные на сотни тысяч циклов работы. Контакторы — это реле повышенной прочности, предназначенные для управления двигателями. Соответствуя стандарту IEC 60947-4-1, они рассчитаны на режим AC-3 (коммутация двигателей с короткозамкнутым ротором) при токах от 9 А до сотен ампер, а их электрический ресурс измеряется миллионами циклов.

Автоматические выключатели добавьте интеллект к защите. В отличие от предохранителя, который выходит из строя однократно и требует замены, автоматический выключатель срабатывает при перегрузке или коротком замыкании, а затем сбрасывается одним движением переключателя. Миниатюрные автоматические выключатели (MCB, согласно IEC 60898) защищают ответвленные цепи с током от 6 А до 63 А. Автоматические выключатели в литом корпусе (MCCB, согласно IEC 60947-2) предназначены для главных фидерных цепей с током от 100 А до 630 А и более, имеют регулируемые настройки срабатывания и отключающую способность 10 кА, 25 кА или выше. Устройства защитного отключения (RCCB/RCBO) обеспечивают защиту от утечки тока на землю, что имеет решающее значение для безопасности персонала.

Для дистрибьюторов и оптовиков, формирующих свой каталог электрокомпонентов, важен широкий ассортимент поставщиков. Производитель, который под одной крышей выпускает автоматические выключатели (MCB), автоматические выключатели с защитными устройствами (MCCB), автоматические выключатели с защитой от остаточного тока (RCCB), контакторы, реле и концевые выключатели — при наличии сертификатов CE, CCC и RoHS — позволяет сократить количество поставщиков, с которыми приходится взаимодействовать, и обеспечить стабильное качество всего ассортимента продукции. Например, компания OMCH производит более 3 000 моделей в более чем 30 категориях на своем предприятии площадью 8 000 м² в провинции Чжэцзян. Для дистрибьютора это означает один аудит, одну систему качества и одну логистическую цепочку, охватывающие значительную часть вашего каталога низковольтного оборудования и средств промышленного управления. Вы можете ознакомиться с их компоненты низковольтных распределительных сетей и продукция для промышленного управления и коммутации чтобы проверить, соответствует ли ассортимент данной категории вашему рынку.

Разъёмы, клеммы и датчики — интерфейсный уровень

Соединители и клеммы — это незаметные «рабочие лошадки» любой электроустановки. Клеммные колодки для монтажа на DIN-рейку (соответствующие стандарту IEC 60947-7-1) устанавливаются рядом друг с другом в каждом распределительном шкафу, обеспечивая упорядоченные и маркированные точки подключения для полевой проводки. Каждая клемма рассчитана на провода определенного сечения — 2,5 мм² для сигналов датчиков, 6 мм² для питания систем управления, 35 мм² и более для проводов двигателей. Промышленные круглые разъемы (M12, M8) передают сигналы датчиков и исполнительных механизмов в виброустойчивых корпусах с классом защиты IP67.

Датчики дополняют общую картину. Они обеспечивают связь между электрической системой и реальным миром. Индуктивные датчики приближения обнаруживают металлические объекты на расстоянии от 2 до 15 мм, сообщая ПЛК о том, что цилиндр выдвинулся или деталь поступила на станцию. Фотоэлектрические датчики используют световые лучи для обнаружения объектов на гораздо больших расстояниях — пара датчиков с проходящим лучом может охватывать расстояние до 50 метров поперек складского конвейера. Концевые выключатели обеспечивают достоверное механическое подтверждение положения. Датчики температуры и поплавковые выключатели контролируют условия технологического процесса, замыкая связь между физической средой и системой управления.

Без датчиков даже самый совершенный ПЛК остается «слепым» и не связанным с реальным миром. С их помощью система управления обретает способность воспринимать окружающую обстановку — реагируя на положение, давление, температуру и расход в режиме реального времени. Именно эти компоненты делают автоматизацию возможной.

Понимание типов электрических компонентов — это не просто академическое занятие. Каждая категория — пассивные, активные и электромеханические компоненты — играет свою конкретную роль в системах, которые обеспечивают работу заводов, перекачивают воду, приводят в движение сборочные линии и поддерживают функционирование зданий. При составлении технического задания на распределительный щит, устранении неисправности или оценке поставщика знание того, к какому семейству относится тот или иной компонент, дает вам важную информацию: какие параметры следует проверить, на соответствие каким стандартам и как проявляется неисправность. В этом и заключается разница между заказом запчастей и проектированием системы.

Ссылки

1. IEC 60050 — Международный электротехнический словарь. Международная электротехническая комиссия. electropedia.org
2. IEC 61360 — Стандартные типы элементов данных с соответствующей схемой классификации. Международная электротехническая комиссия. iec.ch
3. IEC 60947-4-1 — Низковольтное коммутационное и контрольно-измерительное оборудование: контакторы и пускатели двигателей. webstore.iec.ch
4. IEC 60898 — Автоматические выключатели для защиты от перегрузки по току. webstore.iec.ch
5. IEC 60947-2 — Низковольтное коммутационное и контрольно-измерительное оборудование: автоматические выключатели. webstore.iec.ch
6. IEC 61131-2 — Программируемые контроллеры. Требования к оборудованию и испытания. webstore.iec.ch
7. IEC 60947-7-1 — Низковольтное коммутационное и контрольно-измерительное оборудование: клеммные колодки. webstore.iec.ch
8. OMCH — Компоненты систем распределения низкого напряжения. omch.com
9. OMCH — Продукция для промышленного управления и коммутации. omch.com
10. OMCH — официальный сайт. omch.com
11. OMCH — Контакты. omch.com