電工技能培訓：帶你了解固態(tài)繼電器技術
2023-12-01
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1什么是固態(tài)繼電器，有什么優(yōu)缺點？
固態(tài)繼電器（亦稱固體繼電器）英文名稱為SolidState Relay，簡稱SSR。它是用半導體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點開關器件，單相SSR為四端有源器件，其中兩個輸入控制端，兩個輸出端，輸入輸出間為光隔離，輸入端加上直流或脈沖信號到一定電流值后，輸出端就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。固態(tài)繼電器目前已廣泛應用于計算機外圍接口裝置，電爐加熱恒溫系統(tǒng)，數(shù)控機械，遙控系統(tǒng)、工業(yè)自動化裝置；信號燈、閃爍器、照明舞臺燈光控制系統(tǒng)；儀器儀表、醫(yī)療器械、復印機、自動洗衣機；自動消防，保安系統(tǒng)，以及作為電網(wǎng)功率因素補償?shù)碾娏﹄娙莸那袚Q開關等等，另外在化工、煤礦等需防爆、防潮、防腐蝕場合中都有大量使用。交流固態(tài)繼電器按開關方式分有電壓過零導通型（簡稱過零型）和隨機導通型（簡稱隨機型）；按輸出開關元件分有雙向可控硅輸出型（普通型）和單向可控硅反并聯(lián)型（增強型）；按安裝方式分有印刷線路板上用的針插式（自然冷卻，不必帶散熱器）和固定在金屬底板上的裝置式（靠散熱器冷卻）；另外輸入端又有寬范圍輸入（DC3－32V）的恒流源型和串電阻限流型等。 當輸入端施加有效的控制信號時，隨機型SSR輸出端立即導通（速度為微秒級），而過零型SSR則要等到負載電壓過零區(qū)域(約±15V)時才開啟導通。當輸入端撤消控制信號后，過零型和隨機型SSR均在小于維持電流時關斷。雖然過零型SSR有可能造成最大半個周期的延時，但卻減少了對負載的沖擊和產(chǎn)生的射頻干擾，成為理想的開關器件，在“單刀單擲”的開關場合中應用最為廣泛。隨機型SSR的特點是反應速度快，它可以控制移相觸發(fā)脈沖達到方便地改變交流電網(wǎng)電壓，從而應用于精確地調(diào)溫、調(diào)光等阻性負載及部分感性負載場合。過零型SSR與隨機型SSR在用途上有什么區(qū)別？過零型SSR用作“開關”切換（從“開關”切換功能而言即等同于普通的繼電器或接觸器），我們通常講的固態(tài)繼電器多數(shù)都為過零型（過零型SSR只能“開關”不能“調(diào)壓”）。
隨機型SSR主要用于“斬波調(diào)壓”（但隨機型SSR的控制信號必須為與電網(wǎng)同步且上升沿可在0°-180°范圍內(nèi)改變的方波信號時才能實現(xiàn)調(diào)壓，單一電壓信號或0-5V的模擬信號并不能使其調(diào)壓，從“調(diào)壓”功能的角度講隨機型SSR完全不同于普通的繼電器或接觸器）。有一點必須強調(diào)，各類調(diào)壓模塊或固態(tài)繼電器內(nèi)部作為輸出觸點的器件均為可控硅，且都是依靠改變可控硅導通角來達到“調(diào)壓”的目的，故輸出的電壓波形均為“缺角”的正弦波（不同于自耦調(diào)壓器輸出的完整正弦波），因此存在高次諧波，有一定噪音，電網(wǎng)有一定“污染”（國內(nèi)外同類產(chǎn)品均相同，這是由斬波調(diào)壓原理決定的）。雙向可控硅輸出的普通型與單向可控硅反并聯(lián)輸出的增強型的區(qū)別在感性負載的場合，當SSR由通態(tài)關斷時，由于電流、電壓的相位不一致，將產(chǎn)生一個很大的電壓上升率dv/dt（換向dv/dt）加在雙向可控硅兩端，如此值超過雙向可控硅的換向dv/dt指標(典型值為10V/μs)則將導致延時關斷，甚至失敗。而單向可控硅為單極性工作狀態(tài)，只受靜態(tài)電壓上升率dv/dt(典型值為100V/μs)影響，由兩只單向可控硅反并聯(lián)構(gòu)成的增強型SSR比由一只雙向可控硅構(gòu)成的普通型SSR的換向dv/dt有了很大提高，因此在感性或容性負載場合宜選取增強型SSR。如何判斷固態(tài)繼電器是否已經(jīng)損壞？一般情況下，萬用表不能判別SSR的好壞，正確的方法采用圖1-2的測試電路：當輸入電流為零時，電壓表測出的電壓為電網(wǎng)電壓，電燈不亮（燈泡功率須25W以上）；當輸入電流達到一定值以后，電燈亮，電壓表測出的電壓為SSR導通壓降（在3V以下）。（請初次使用者務必注意：因SSR內(nèi)部有RC回路而帶來漏電流，因此不能等同于普通觸點式的繼電器、接觸器，請參考后面的注意事項）。固態(tài)繼電器（或其他功率模塊）一定需要配散熱器嗎?是的。除了電流小于6A的單相固態(tài)繼電器以外，所有功率模塊都需要選用合適的散熱器配合使用。固態(tài)繼電器或模塊的發(fā)熱量主要跟所驅(qū)動的負載的實際電流有關，而與其本身的電流等級大小關系不大。
發(fā)熱量的計算公式(兩種)：
1：單相固態(tài)繼電器、單相交流調(diào)壓模塊、R系列固體調(diào)壓器
發(fā)熱量=實際負載電流（安培）×1.5瓦/安培
對三相固態(tài)繼電器、三相交流調(diào)壓模塊，其實際負載電流應為三相實際負載電流之和。
2：對于單相全控整流模塊
發(fā)熱量=實際負載電流（安培）×3.0瓦/安培。散熱器的作用就是把固態(tài)繼電器或模塊產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，散熱效果不但跟散熱器的大小有關，還跟環(huán)境溫度（季節(jié)）、通風條件（自然冷卻或強迫冷卻及風量大小）以及安裝密度等因素均有關。散熱效果的參考標準：使固態(tài)繼電器或模塊的底板（與散熱器接觸面）溫度不得超過80℃。因此實際應用中可在散熱器安裝面靠近固態(tài)繼電器或模塊的邊緣處（20mm以內(nèi)）安裝一只75℃的溫度開關（帶一對常閉觸點），把固態(tài)繼電器或模塊的控制信號串入這對常閉觸點，這樣當檢測點溫度超過75℃時，常閉觸點跳開，切斷控制信號，強迫關閉固態(tài)繼電器或模塊的輸出，使其得到保護。一般在每相實際電流超過50A、安裝密度大、環(huán)境溫度高的地方，最好采用溫度開關保護。
選用散熱器除考慮上述因素外，還要考慮固態(tài)繼電器或模塊本身體積與散熱器能否相配，以及散熱器在機柜中的安裝空間。但最終要保證即使在最惡劣情況下固態(tài)繼電器或模塊的底板溫度也不得超過80℃。固態(tài)繼電器與散熱器安裝面間須涂一薄層導熱硅脂。固態(tài)繼電器或其他功率模塊適用的電網(wǎng)頻率固態(tài)繼電器SSR適用于50Hz或60Hz的工頻電網(wǎng)上，不宜于低頻或高次諧波分量大的場合，如變頻器輸出端有多組負載需要分別切換，采用SSR作為開關則可能由于高次諧波使其不能可靠關斷，并且高次諧波還可能使SSR內(nèi)部的RC吸收回路因過熱而炸裂。三相固態(tài)繼電器與三只單相單相固態(tài)繼電器選擇 三相固態(tài)繼電器（SSR）均為過零型，即三相SSR只能作“開關”，不能作“調(diào)壓”。實際上三相SSR是把三個單相SSR做在一起，并用一個輸入端控制。對實際負載電流不大的場合，三相SSR使用起來比較方便，但電流大時發(fā)熱亦大，這時使用三只單相SSR更為可靠（因三只單獨分開比集中在一起散熱效果好，控制方法：三個輸入端可串聯(lián)或并聯(lián)），另外如負載短路造成SSR損壞，三只單相SSR（一般損失一到二只）比一只三相SSR的損失要小。交流調(diào)壓模塊能用于電機調(diào)速嗎?有許多朋友希望用調(diào)壓模塊實現(xiàn)電機調(diào)速的目的，通常情況下交流電機需用變頻器調(diào)速。只有風機、泵機類電動機等軟特性負載、或者力矩電機場合可通過調(diào)壓來實現(xiàn)調(diào)速。交流調(diào)壓模塊與降壓變壓器間在使用上的區(qū)別負載額定電壓低于電網(wǎng)電壓時，有許多客戶常常希望用調(diào)壓模塊去替代體大、笨重、價高的降壓變壓器（次級為低電壓大電流）來實現(xiàn)其降壓、調(diào)壓的目的，這樣是否可行是根據(jù)不同場合而定的。交流調(diào)壓模塊是利用斬波實現(xiàn)調(diào)壓的，對于大變比的調(diào)壓往往是不可行的，例如單相負載的額定電壓為36VAC、額定電流為50A，要求在0V-36VAC內(nèi)調(diào)壓。如果用單相交流調(diào)壓模塊如（220V、120A）直接接到220VAC電網(wǎng)上去調(diào)壓，因為輸出36VAC電壓時對應于調(diào)壓模塊內(nèi)部可控硅的導通角為140°-180°和320°-360°，這兩個小區(qū)域不可能輸出50A電流，因為調(diào)壓模塊的120A是內(nèi)部可控硅導通0°-360°的電流。并且即使采用增大調(diào)壓模塊的電流等級，來達到輸出低電壓大電流的方案，對負載和模塊也不安全可靠，因為對負載而言，電網(wǎng)電壓高于負載額定電壓，一旦控制調(diào)壓模塊的輸入信號產(chǎn)生失誤，則輸出電壓大于負載額定電壓，將導致負載因過壓擊穿或過流損壞，對模塊而言，則產(chǎn)生過流燒毀。正確的方法應采用調(diào)壓模塊和變壓器結(jié)合起來使用，如低電壓大電流負載（單相或三相）的控制方式：先采用調(diào)壓模塊調(diào)壓，再采用變壓器降壓單相交流調(diào)壓可選用哪些產(chǎn)品模塊？單相交流調(diào)壓場合，有多種模塊組合可以實現(xiàn)，推薦次序如下：
（1）全隔離單相交流調(diào)壓模塊。
（2）隨機型固態(tài)繼電器與隨機型SSR移相觸發(fā)器模塊、同步變壓器組成的調(diào)壓系統(tǒng)。
（3）可控硅移相觸發(fā)器模塊與可控硅、同步變壓器組成的調(diào)壓系統(tǒng)。
（4）R系列固體調(diào)壓器（只能用于低要求不隔離手動調(diào)節(jié)的溫控場合）。
【特別注意】：(1)、(2)、(3)的次序亦適合于半波控制場合(只對電網(wǎng)正半周調(diào)壓，典型應用于電振機)三相交流調(diào)壓可選用哪些產(chǎn)品模塊？ 三相交流調(diào)壓場合，有多種模塊組合可以實現(xiàn)，推薦次序如下：
（1）固態(tài)繼電器三相移相觸發(fā)器模塊（連三相同步變壓器塊）與三只單相隨機型固態(tài)繼電器組成的調(diào)壓系統(tǒng)。
（2）全隔離三相交流調(diào)壓一體化模塊（連三相同步變壓器模塊）。
（3）三相調(diào)壓單硅移相觸發(fā)器模塊（連三相同步變壓器模塊）加三組反并聯(lián)單向可控硅組成的調(diào)壓系統(tǒng)；或三相調(diào)壓雙硅移相觸發(fā)器模塊（連三相同步變壓器模塊）加三只雙向可控硅組成的調(diào)壓系統(tǒng)。
【特別注意】：三相負載為星型接法時中心點一般以不接地（不接中心線）為好，如必須接地也可；另外調(diào)壓器件與三相電網(wǎng)（380伏）間有隔離（降壓）主變壓器時，客戶須聲明主變壓器原副邊的額定電壓，否則不能直接使用下面的方案——而需定制同步變壓器模塊或相關器件。 1、單相整流場合，推薦次序如下：
（1）全隔離單相橋式全控整流模塊加同步變壓器。
（2）單相雙路可控硅移相觸發(fā)器模塊與同步變壓器、單相半控全橋組成的調(diào)壓系統(tǒng)。
【特別說明】當直流負載額定電壓較低時，要求先用變壓器降低交流進線電壓，再采用整流調(diào)壓。例如直流負載額定電壓為30VDC，要求在0-30VDC范圍內(nèi)調(diào)壓，可采用220VAC/40VAC的變壓器降壓，再用單相橋式整流模塊整流調(diào)壓，而不能僅用單相整流模塊對220VAC進線電壓整流調(diào)壓（0-30VDC）。
2、三相整流場合，推薦次序如下：
（1）三相全控整流移相觸發(fā)器模塊（連三相同步變壓器模塊）與‘三相全控全橋’組成的三相全控整流電路。
（2）三相半控整流移相觸發(fā)器模塊（連三相同步變壓器模塊）與‘三相半控全橋’組成的三相半控整流電路。
【特別注意】：‘三相橋’與三相電網(wǎng)（380伏）間有隔離（降壓）主變壓器時，客戶須聲明主變壓器原副邊的額定電壓，否則不能直接使用下面的方案——而需定制同步變壓器模塊或觸發(fā)器模塊。RC吸收回路的作用為吸收浪涌電壓和提高靜態(tài)dV/dt指標，但SSR內(nèi)部的RC回路帶來斷態(tài)漏電流，一般來說2A-6A的SSR漏電流對10W以上功率的負載（如電機）基本無影響，10A以上的SSR漏電流對50W以上功率的負載基本無影響。另外在實際應用大感性負載場合，還可以在SSR兩輸出端再并聯(lián)RC吸收回路以保護SSR。
有些用戶如負載功率小(如中間繼電器、接觸器的線圈、電磁吸鐵微功率電動機等負載)我們可以定制漏電流小于1mA的固態(tài)繼電器。
用于功率擴展場合的固態(tài)繼電器，在其內(nèi)部應無RC回路，這是由于RC回路的充放電會產(chǎn)生誤動作。
萬用表電阻檔測量出固態(tài)繼電器交流兩端電阻接近為零時，說明此固態(tài)繼電器內(nèi)部的可控硅已損壞。除此以外，判斷固態(tài)繼電器的好壞必須采用帶負載的電路。當加在固態(tài)繼電器交流兩端的電壓峰值超過SSR所能承受的最高電壓峰值時，固態(tài)繼電器內(nèi)的元件便會被電壓擊穿而造成SSR損壞，選取合適的電壓等級和并聯(lián)壓敏電阻可以較好地保護SSR。
a、交流負載為220V的阻性負載時可選取220V電壓等級的SSR。
b、交流負載為220V的感性負載或交流負載為380V的阻性負載時可選取380V電壓等級的SSR。
c、交流負載為380V的感性負載時可選取480V電壓等級的SSR（480V等級的SSR還具有更高的靜態(tài)dv/dt指標）；其他要求特殊、可靠性要求高的場合如電力補償電容器切換、電動機正反轉(zhuǎn)等均須選取480V電壓等級的SSR。
d、交流負載的電壓小于100VAC以下場合時，選擇固態(tài)繼電器最好向我公司咨詢定制。
SSR過壓的保護：除SSR內(nèi)部本身有RC吸收回路保護外，還可以采取并聯(lián)金屬氧化物壓敏電阻（MOV），MOV面積大小決定吸收功率，MOV的厚度決定保護電壓值。一般220V系列SSR可選取500V-600V的壓敏電阻，380V系列SSR可選取800V-900V的壓敏電阻，480V系列SSR可選取1000V-1100V的壓敏電阻。（注：我公司的SSR規(guī)定不能使用在大于500VAC的電網(wǎng)上）。
【特別注意】：壓敏電阻電壓值選取太小，容易造成經(jīng)常燒毀壓敏電阻而短路（但SSR不損壞）；電壓值選取太大，又起不到保護SSR的目的，故應用本公司SSR，如采用壓敏電阻，請盡量選定在上述范圍內(nèi)。過流（最嚴重的情況為負載短路）是造成SSR內(nèi)部輸出可控硅永久性損壞的最主要原因。快速熔斷器和空氣開關是過流保護方法之一，小容量SSR也可選用保險絲；許多負載在接通瞬間會產(chǎn)生很大的浪涌電流，由于散熱不及，浪涌電流與過流一樣也是造成SSR內(nèi)部輸出可控硅損壞的最主要原因之一。因此選取固態(tài)繼電器時，保證一定的電流余量是極其重要的。
a、阻性負載時，選取SSR的電流等級宜大于等于2倍的負載額定電流。
b、負載為交流電動機時，選取SSR的電流等級須大于等于6-7倍的電動機額定電流。
c、交流電磁鐵、中間繼電器線保、電感線圈等負載時，選取SSR的電流等級宜大于等于4倍的負載額定電流，變壓器時要求大于等于5倍變壓器初級額定電流，特種感性、容性負載則應根據(jù)實際經(jīng)驗還須放大SSR的電流余量。
d、電力補償電容器類負載時，選取SSR的電流等級須大于5倍的負載額定電流。
【特別注意】：由于SSR內(nèi)部的可控硅在負載短路時的過流燒毀速度與快速熔斷器的熔斷速度在同一數(shù)量級內(nèi)，故快速熔斷器并不能百分之一百地保護SSR。選取快速熔斷器的電流等級的原則為略大于最大負載電流，而固態(tài)繼電器的電流等級則盡可能大，這樣快熔就能比較可靠地保護SSR。電動機、電力補償電容器類負載因有很大的開啟沖擊電流，故宜選取空氣開關作保護�？諝忾_關分“慢速”和“快速”兩類：“慢速”類主要應用于如電動機、電力電容器等有很大啟動沖擊電流的負載；“快速”類主要應用于阻性、其他感性類負載�？諝忾_關的保護速度低于快熔，因此在負載短路時也不能百分之一百地保護SSR。
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