单相交流固态继电器

二、单相交流固态继电器

1.概述

单相交流固态继电器也称固体继电器,简称SSR,是一种全部由固态电子元器件组成的电力电子器件,集光电耦合器、大功率双向可控硅(或单相可控硅反并联,以下简称双向可控硅)及其触发电路、阻容吸收电路等器件于一体。双向可控硅输出是普通型,单相可控硅反并联是增强型。输入/输出光电隔离,输入端加到一定电流值后,双向可控硅由断态转变成通态。SSR可用来替代交流接触器,其有工作可靠、寿命长、无火花、无电磁干扰、抗干扰能力强、开关速度快、体积小、耐冲击、耐震荡、防爆、防尘、防潮、防腐蚀,能与TTL、DTL、HTL逻辑电路兼容等特点。此外,SSR也可应用于调功器、交流电动机软启动器、交流调压器等设备装置中。

2.引出端功能

固态继电器是四端有源器件,有4个引出端。“+”、“-”是两个输入控制端,当电流加到大于5mA的电流值后,双向可控硅由断态转变成通态。固体继电器的引出端子如图6-3所示。

图6-3　固态继电器引出端子示意

固态继电器有过零导通型(简称过零型)和随机导通型(简称随机型)两种。过零型用于交流接触器以及调功器等设备装置中,以减小产生的射频干扰;随机型用于交流电动机软启动器、交流调压器等设备装置中。

3.增强型固态继电器

增强型固态继电器内部的双向可控硅由两只单向可控硅反并联构成。在感性负载的场合,当SSR由通态关断时,由于电流、电压的相位不一致,会产生很大的电压上升率dV/dt,如果超过10V/μs,将可能导致SSR延时关断,甚至失败。

单向可控硅只受静态电压上升率dV/dt的影响,典型值为100V/μs,由两只单向可控硅反并联构成的增强型SSR比普通型SSR(由一只双向可控硅构成)的换向dV/dt有很大提高,在感性或容性负载场合宜选择增强型固体继电器。

4.测试电路

一般情况下,万用表不能判别固态继电器的好坏,应采用图6-4的测试电路。当输入电流为0时,电压表在固态继电器输出端测出的电压为电网电压,此时电灯不亮;当输入电流达到一定值以后,电灯亮,电压表在固态继电器输出端测出的电压为固态继电器的导通压降,其值不超过3V。

图6-4　固态继电器的测试电路

5.型号含义

固态继电器有普通过零型、普通随机型、增强过零型和增强随机型四类。电压等级有220VAC、380VAC、480VAC三种,电流等级为2A～500A。型号中,后缀P表示随机型,前缀H表示增强型。

(1)普通过零型

型号为:SSR-□D□,D前□的数据是电压等级,D后□的数据是电流等级。型号有:SSR-220D02/380D02,SSR-220D03/380D03,SSR-220D03L/380D03L(L表示立式),SSR-220D04/380D04,SSR-220D05/380D05,SSR-220D06/380D06,SSR-220D10/380D10/480D10,SSR-220D25/380D25/480D25,SSR-220D40/380D40/480D40等。其中,2A、3A、立式3A、4A、5A是在针插式线路板上使用;6A为铝合金外壳,插片连接式电极,小体积安装式,固定在金属板上使用;10A、25A、40A是长方形安装形式。

(2)普通随机型

型号为:SSR-□D□P,后缀P表示随机型,D前□的数据是电压等级,D后□的数据是电流等级。型号有:SSR-220D02P/380D02P,SSR-220D03P/380D03P,SSR-220D03LP/380D03LP(L表示立式),SSR-220D04P/380D04P,SSR-220D05P/380D05P,SSR-220D06P/380D06P,SSR-220D10P/380D10P/480D10P,SSR-220D25P/380D25P/480D25P,SSR-220D40P/380D40P/480D40P等。2A、3A、立式3A、4A、5A是在阵插式线路板上使用;6A为铝合金外壳,插片连接式电极,小体积安装式,固定在金属板上使用;10A、25A、40A是长方形安装形式。

(3)增强过零型

型号为:SSR-H□D□,前缀H表示增强型,D前□的数据是电压等级,D后□的数据是电流等级。长方形安装形式的型号有:SSR-H220D15/H380D15/H480D15,SSR-H220D30/H380D30/H480D30,SSR-H220D45/H380D45/H480D45,SSRH220D60/H380D60/H480D60,SSR-H220D75/H380D75/H480D75,SSR-H220D100/H380D100/H480D100,SSRH220D120/H380D120/H480D120,SSR-H220D150/H380D150/H480D150;长方形固体继电器为铜或铝底板,塑料外壳,螺钉压紧式电极,固定在散热器上使用。固定单只长方形固体继电器的散热器可选择E-18、E-30、F-30、F-40、F-50、F-60、F-80等;如三只长方形固体继电器组合装在一块散热器上,散热器可选择E-70、F-120、G-220。长条形安装形式的型号有:SSRH220D85/H380D85/H480D85,SSR-H220D125/H380D125/H480D125,SSR-H220D155/H380D155/H480D155,SSR-H220D190/H380D190/H480D190,SSR-H220D240/H380D240/H480D240,SSR-H220D290/H380D290/H480D290,SSR-H220D350/H380D350/H480D350,SSR-H220D400/H380D400/H480D400,SSR-H220D500/H380D500/H480D500等。长条形固态继电器为铜底,塑料外壳,大电流片状电极,固定在散热器上使用。固定单只长方形固体继电器的散热器可选择F-80和A系列散热器(带风扇冷却)。

(4)增强随机型

型号为:SSR-H□D□P,前缀H表示增强型,后缀P表示随机型,D前□的数据是电压等级,D后□的数据是电流等级。长方形安装形式的型号有:SSR-H220D15P/H380D15P/H480D15P,SSR-H220D30P/H380D30P/H480D30P,SSR-H220D45P/H380D45P/H480D45P,SSR-H220D60P/H380D60P/H480D60P,SSR-H220D75P/H380D75P/H480D75P,SSR-H220D100P/H380D100P/H480D100P,SSR-H220D120P/380D120P/H480D120P,SSR-H220D150P/H380D150P/H480D150P;长条形安装形式的型号有:SSR-H220D85P/H380D85P/H480D85P,SSR-H220D125P/H380D125P/H480D125P,SSR-H220D155P/H380D155P/H480D155P,SSR-H220D190P/H380D190P/H480D190P,SSR-H220D240P/H380D240P/H480D240P,SSR-H220D290P/H380D290P/H480D290P,SSR-H220D350P/H380D350P/H480D350P,SSR-H220D400P/H380D400P/H480D400P,SSR-H220D500P/H380D500P/H480D500P等。

过零型固态继电器的输入控制电压为DC3V～32V(除3A,为DC3V～12V),电流大于等于5mA;随机型固态继电器的输入控制电压为DC4V～8V(除3A,为DC3V～12V),电流大于等于10mA。

6.固态继电器的选择方法

(1)电压等级的选择方法

交流负载为220V的阻性负载时,选择220V电压等级的固态继电器;交流负载为220V的感性负载或380V的阻性负载时,选择380V电压等级的固态继电器;交流负载为380V的感性负载时,选择480V电压等级的固态继电器。

(2)电流等级的选择方法

阻性负载时,固态继电器的电流等级大于等于2倍的负载额定电流;交流电动机负载时,固态继电器的电流等级大于等于6～7倍的电动机额定电流;交流电磁铁线圈等交流电磁线圈,固态继电器的电流等级应大于等于线圈额定电流的4倍;变压器负载时,固态继电器的电流等级应大于等于变压器初级额定电流的5倍;电力补偿电容器等容性负载、特种感性负载时,固态继电器的电流等级应大于负载电流的5倍。

7.固态继电器的保护方法

(1)过压保护方法

固态继电器内部本身有RC吸收回路作过电压保护,外部还可以并联压敏电阻作过电压保护。一般来说,220V系列的固体继电器使用500V～600V的压敏电阻;380V系列的固体继电器使用800V～900V的压敏电阻;480V系列的固体继电器使用1000V～1100V的压敏电阻。

(2)过流保护方法

过流是造成固态继电器永久损坏的最主要原因。快速熔断器和空气开关是固态继电器过流保护方法之一,小容量的固态继电器也可选用螺旋熔断器或保险丝。

由于固态继电器内部的可控硅在负载短路时的过流烧毁速度与快速熔断器的熔断速度在同一数量级内,故快速熔断器不能可靠地保护固态继电器。因此,选择的快速熔断器的额定电流应略大于最大负载电流,而固态继电器的电流等级则尽可能大,这样快速熔断器就能够可靠地保护固态继电器了。

对于交流电动机、电力补偿电容器等有很大开启冲击电流的负载,宜选取空气开关作短路保护。由于空气开关的动作速度低于快速熔断器,因此也不能可靠地保护固态继电器。

(3)温度开关保护方法

实践中,在散热器安装面靠近固态继电器或模块的边缘20mm以内安装一只额定温度为75℃的带一对常闭触点的温度开关,把这对常闭触点串入固态继电器或模块的控制信号中,这样当温度超过75℃时,常闭触点分断,固态继电器或模块截止,实现过流保护。

一般地,在实际工作电流超过50A,安装密度大,环境温度高等地方,除快速熔断器和空气开关外,还应采用温度开关保护。

8.注意事项

①固体继电器应用于50Hz或60Hz的工频电网上,不宜于低频或高次谐波分量大的场合,如变频器输出端的多组负载的分别切换;在实际应用中,固体继电器和变频器之间还应有足够的空间距离。

②万用表电阻挡测量出固态继电器交流侧电阻接近0时,说明固态继电器内部的双向可控硅已损坏。除此之外,判断固态继电器的好坏应使用图6-4的测试电路。

③固态继电器和散热器安装面上应涂上一层薄的导热硅脂。

④固态继电器散热效果的参考标准为:固态继电器或模块的底板(固态继电器与散热器的接触面)温度不能超过80℃。

9.固态继电器的应用线路

(1)输入端的串并联接线线路

固态继电器输入端的串并联接线线路如图6-5所示。

图6-5　固态继电器输入端的串并联接线线路

输入端可以串联或并联,但应满足每个固体继电器输入端。高电平时,过零型触发电流大于5mA,随机型大于10mA。低电平时,电压低于1V,即:并联输入,驱动电流大于多个电流之和;串联输入,驱动电压大于多个开启电压(取4V/个)之和。如图6-5所示的由过零型固态继电器组成的三相交流接触器,图6-5(a)是输入控制端常用的串联接线线路,+、-端电压≥3×4V=12V,控制端电流≥5mA;图6-5(b)是输入控制端并联接线线路,+、-端电压≥4V,控制端电流≥3×5mA=15mA。

(2)调功器应用线路

调功器应用线路如图6-6所示。调功器线路由3只过零型固态继电器、1只周波控制模块SSR-CYC等组成。

图6-6　调功器应用线路

(3)单相电动机正反转控制应用线路

单相电动机的正反转控制线路如图6-7所示,由两只固态继电器(SSR1、SSR2)、开关K、单相电动机M等组成。

图6-7　单相电动机正反转控制线路

开关K分别置于“Ⅰ”、“Ⅱ”位置时,电动机分别为正转和反转。注意:正反转必须有20ms以上的换向延时,这是因为可控硅可能延时关断,在此期间如果另一只固态继电器导通,势必短路烧毁。如果是电容启动的单相电动机,还要加限流电阻R_s,R_s=30/I_T,其中I_T是固态继电器的电流等级。

采用单相交流固态继电器构成的三相电动机正反转的控制线路如图6-8所示,由5只固态继电器(SSR1、SSR2、SSR3、SSR4、SSR5)、开关K、三相电动机M等组成。开关K分别置于“Ⅰ”、“Ⅱ”位置时,电动机分别为正转和反转。注意:正反转必须有60ms～70ms的换向延时。

图6-8　三相电动机正反转控制线路

(4)三相电动机软启动器应用线路

电动机软启动器只能够使用随机型固态继电器。一种简单的三相电动机软启动器线路如图6-9所示,由3只随机型固态继电器(SSR1、SSR2、SSR3)、1只同步模块TB-3、1只SSR-3JR触发器模块、电子电路、时序控制线路等组成。电子电路是由1只运放等实现的积分电路,用来模拟电动机的启动过程。继电器J吸合,电动机启动。电动机启动后,由接触器KM切入,将固态继电器短路而停止工作,应用于空载或轻载启动场合。

图6-9　三相电动机软启动器线路

(5)交流调压器应用线路

交流调压器线路只能够使用随机型固态继电器。固态继电器实现的调压器线路如图6-10所示,它由1只随机型固态继电器SSR、1只SSR-JKZKE触发器模块、1只MK-JF交流电压负反馈模块等组成。

图6-10　固态继电器实现的调压器线路

三只固态继电器实现的三相调压器线路如图6-11所示,由3只随机型固态继电器、1只同步模块TB-3、1只SSR-3JR触发器模块、1只MK-JF交流电压负反馈模块等组成。

图6-11　固态继电器实现的三相调压器线路