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交流固態繼電器及其在電機可逆運轉中的應用
交流固態繼電器及其在電機可逆運轉中的應用
一、固態繼電器的分類與工作原理
固態繼電器SSR（Solid State Relay），又稱固態開關，是一種全部由固態電子元器件組成的新型電子開關器件。它集光耦合器、大功率雙向品閘管及其觸發電路、阻容吸收電路等器件于一體，用它代替傳統的電磁式繼電器，實際對單相或三相電動機正反轉控制，具有無觸點、無動作噪聲、開關速度快、無火花干擾和可靠性高等優點，是一種很有發展前途的無觸點開關器件。
1、分類
按負載電源的類型不同可將SSR分為交流固態繼電器(AC-SSR)和直流固態繼電器（DC-SSR）。AC-SSR是一以雙向晶閘管作為開關器件，用來接通或斷開交流負載電源的固態繼電器。按AC-SSR的控制觸發方式不同，又可分為過零觸發型和隨機導通型兩種。過零觸發型AC-SSR是當控制信號輸入后，在交流電源經過零電壓附近時導通，故干擾很小。隨機導通型AC-SSR則是在交流電源的任一相位上導通或關斷，因此在導通瞬間可能產生較大的干擾。
2、工作原理
過零觸發型AC-SSR為四端器件，其內部電路如圖1所示。1、2為輸入端，3、4為輸出端。R0為限流電阻，光耦合器將輸入與輸出電路在電氣上隔離開，V1構成反相器，R4、R5、V2和晶閘管V3組成過零測電路，UR為雙向整流橋，由V3和UR用以獲得使雙向晶閘管V4開啟的雙向觸發脈沖，R3、R7為分流電阻，分別用來保護V3和V4，R8和C組成浪涌吸收網絡，以吸收電源中帶有的尖峰電壓或浪涌電流，防止對開關電路產生沖擊和干擾。
圖1 過零觸發AC-SSR內部電路
要指出的是所謂“過零”并非真的必須是電源電壓波形的零處，而一般是指在10~25V或-（10~25V 區域內進行觸發，如圖2所示。圖中交流電壓分三個區域，Ⅰ區為-10V~+10V范圍，稱為死區，在此區域中加入輸入信號時不能使SSR導通。Ⅱ區為10~25V和-（10~25）V范圍，稱為響應區，在此區域內只要入輸入信號，SSR立即導通。Ⅲ區幅值大于25V的范圍，稱為抑制區，在此區域內加入輸入信號，SSR的導通被抑制。
圖2 電壓波形
當輸入未加電壓信號時，光耦合器的光敏晶體管因未接收光而截止，V1飽和，V3和V4因無觸發電壓而截止，此時SSR關閉。當加入輸入信號時，光耦合器中的發光二極管發光。光敏晶體管飽和，使V1截止。此時若V3兩端電壓在-（10~25）V或10~25V范圍內時，只要適當選擇分壓電阻R4和R5，就可使V2截止，這樣使V3觸發導通，從而使V4的控制極上得到從R6→UR→V3→UR→R7或反方向的觸發脈沖，而使V4導通，使負載接通交流電源。而如交流電壓波形在圖2中Ⅲ區內時，則因V2飽和而抑制V3和V4的導通，而使SSR被抑制，從而實現了過零觸發控制。由于10~25V幅值與電源電壓幅值相比可近似看作“零”。因此，一般就將過零電壓粗略地定義為0~±25V，即認為在此區域內，只要加入輸入信號，過零觸發型AC-SSR都能導通。
當輸入端電壓信號撤除后，光藕和器中的光敏晶體管截止，V1飽和，V3截止，但此時V4仍保持導通，直到負載電流隨電源電壓減少到小于雙向晶閘管的維持電流時，SSR才轉為截止。
SSR的輸出端器件可分為雙向晶閘管反并聯形式。如負載為電動機一類的感性負載，則其靜態電壓上升率dv/dt是一個重要參數。由于單向晶閘管靜態電壓上升率（200V/us）大大高于雙向晶閘管的換向指標（10V/us），因此，如采用兩只大功率單向晶閘管反并聯代替雙向晶閘管，一方面可提高輸出功率；另一方面也可提高耐浪涌電流的沖擊能力，這種SSR稱為增強型SSR。
二、AC-SSR在電機正反轉控制中的應用
采用AC-SSR可以代替電磁式繼電器作為電子開關實現電動機的可逆運轉控制。下面僅介紹采用AC-SSR對單相和三相交流電動機進行正反轉控制的原理及其使用注意事項。
1、單相交流電動機的正反轉控制
單相交流電動機的正反轉控制原理如圖3所示。電路中開關S（可采用電子開關）分別置于“Ⅰ”、“Ⅱ”位置時，電機分別為正傳和反轉。圖中M為單向交流電動機，RC串聯組成外加吸收電路，RV為氧化鋅壓敏電阻，起過電壓保護作用。該電路工作效果的好壞，關鍵在于AC-SSR額定電壓的選取。由電路中運行電容C回路的工作特點可知，當AC-SSR1或AC-SSR2中任何一個關斷時，關斷SSR輸出端的電壓約為交流電源電壓的2倍。因此在選用SSR額定電壓時，應大于電源電壓的2倍，換向時間也必須有30ms以上的延時。
圖3 單相交流電動機的正反轉控制原理
2、三相交流電動機的正反轉控制
采用AC-SSR構成三相交流電動機正反轉的控制電路如圖4所示。但開關S接通“Ⅰ”時，電動機正轉；當S與“Ⅱ”接通時，因A、B兩相導相而使電動機反轉，其工作波形如圖5所示。由波形圖可知，當輸入端加入輸入信號時，各AC-SSR均是在各相電壓過零時導通，使負載上的電壓與三相電源電壓同步。當輸入端信號電壓過零時，負載電流并不立即為零，如此時立即加上反向觸發信號電壓，必將造成主電路相間短路，這是控制三相異步電動機正反轉必須注意的問題。因此在設計實際控制電路時，必須設置倒相延時電路，以保證AC-SSR電流過零關斷后再響應開通SSR的反轉觸發信號。對于電動機一類的感性負載，延時一般約為60~70ms。
圖4 采用AC-SSR構成三相交流電動機正反轉的控制電路
圖5 采用AC-SSR控制電動機的工作波形
在實際應用SSR作為電子開關時還應注意以下問題：
1、要考慮電動機浪涌電流的持續時間對SSR的影響，因此選用器件是要留有充分的電流余量。
2、由于晶閘管的關斷條件是電流過零，而感性負載上的電流滯后于兩端電壓一個相位角，在關斷SSR時將產生較高的電壓上升率，因此用于控制電機運轉時應選用增強型固態SSR。幾乎國產增強型SSR性能參數見表1。
3、在采用SSR作為三相控制電子開關時，由于SSR的電流容量隨環境溫度的升高而降低，因此工作電流較大時應加散熱片。此外，還應設置過電流、過電壓和缺相保護等措施，防止負載短路。