交流固态继电器及其在电机可逆运转中的应用 - 谷易凤12工控博客技术论文

    胡鹏程（黑龙江商学院）
    摘要：在简述固态继电器的分类与AC-SSR工作原理的基础上，介绍了AC-SSR在单相和三相交流电动机正反转控制中的应用及应注意的问题。
    关键词：固态继电器；可逆运转
    一、固态继电器的分类与工作原理
    固态继电器SSR（Solid State Relay），又称固态开关，是一种全部由固态电子元器件组成的新型电子开关器件。它集光耦合器、大功率双向品闸管及其触发电路、阻容吸收电路等器件于一体，用它代替传统的电磁式继电器，实际对单相或三相电动机正反转控制，具有无触点、无动作噪声、开关速度快、无火花干扰和可靠性高等优点，是一种很有发展前途的无触点开关器件。
    1、分类
    按负载电源的类型不同可将SSR分为交流固态继电器(AC-SSR)和直流固态继电器（DC-SSR）。AC-SSR是一以双向晶闸管作为开关器件，用来接通或断开交流负载电源的固态继电器。按AC-SSR的控制触发方式不同，又可分为过零触发型和随机导通型两种。过零触发型AC-SSR是当控制信号输入后，在交流电源经过零电压附近时导通，故干扰很小。随机导通型AC-SSR则是在交流电源的任一相位上导通或关断，因此在导通瞬间可能产生较大的干扰。
    2、工作原理
    过零触发型AC-SSR为四端器件，其内部电路如图1所示。1、2为输入端，3、4为输出端。R0为限流电阻，光耦合器将输入与输出电路在电气上隔离开，V1构成反相器，R4、R5、V2和晶闸管V3组成过零测电路，UR为双向整流桥，由V3和UR用以获得使双向晶闸管V4开启的双向触发脉冲，R3、R7为分流电阻，分别用来保护V3和V4，R8和C组成浪涌吸收网络，以吸收电源中带有的尖峰电压或浪涌电流，防止对开关电路产生冲击和干扰。

    图1 过零触发AC-SSR内部电路
    要指出的是所谓“过零”并非真的必须是电源电压波形的零处，而一般是指在10~25V或-（10~25V 区域内进行触发，如图2所示。图中交流电压分三个区域，Ⅰ区为-10V~+10V范围，称为死区，在此区域中加入输入信号时不能使SSR导通。Ⅱ区为10~25V和-（10~25）V范围，称为响应区，在此区域内只要入输入信号，SSR立即导通。Ⅲ区幅值大于25V的范围，称为抑制区，在此区域内加入输入信号，SSR的导通被抑制。

    图2 电压波形
    当输入未加电压信号时，光耦合器的光敏晶体管因未接收光而截止，V1饱和，V3和V4因无触发电压而截止，此时SSR关闭。当加入输入信号时，光耦合器中的发光二极管发光。光敏晶体管饱和，使V1截止。此时若V3两端电压在-（10~25）V或10~25V范围内时，只要适当选择分压电阻R4和R5，就可使V2截止，这样使V3触发导通，从而使V4的控制极上得到从R6→UR→V3→UR→R7或反方向的触发脉冲，而使V4导通，使负载接通交流电源。而如交流电压波形在图2中Ⅲ区内时，则因V2饱和而抑制V3和V4的导通，而使SSR被抑制，从而实现了过零触发控制。由于10~25V幅值与电源电压幅值相比可近似看作“零”。因此，一般就将过零电压粗略地定义为0~±25V，即认为在此区域内，只要加入输入信号，过零触发型AC-SSR都能导通。
    当输入端电压信号撤除后，光藕和器中的光敏晶体管截止，V1饱和，V3截止，但此时V4仍保持导通，直到负载电流随电源电压减少到小于双向晶闸管的维持电流时，SSR才转为截止。
    SSR的输出端器件可分为双向晶闸管反并联形式。如负载为电动机一类的感性负载，则其静态电压上升率dv/dt是一个重要参数。由于单向晶闸管静态电压上升率（200V/us）大大高于双向晶闸管的换向指标（10V/us），因此，如采用两只大功率单向晶闸管反并联代替双向晶闸管，一方面可提高输出功率；另一方面也可提高耐浪涌电流的冲击能力，这种SSR称为增强型SSR。
    二、AC-SSR在电机正反转控制中的应用
    采用AC-SSR可以代替电磁式继电器作为电子开关实现电动机的可逆运转控制。下面仅介绍采用AC-SSR对单相和三相交流电动机进行正反转控制的原理及其使用注意事项。
    1、单相交流电动机的正反转控制
    单相交流电动机的正反转控制原理如图3所示。电路中开关S（可采用电子开关）分别置于“Ⅰ”、“Ⅱ”位置时，电机分别为正传和反转。图中M为单向交流电动机，RC串联组成外加吸收电路，RV为氧化锌压敏电阻，起过电压保护作用。该电路工作效果的好坏，关键在于AC-SSR额定电压的选取。由电路中运行电容C回路的工作特点可知，当AC-SSR1或AC-SSR2中任何一个关断时，关断SSR输出端的电压约为交流电源电压的2倍。因此在选用SSR额定电压时，应大于电源电压的2倍，换向时间也必须有30ms以上的延时。

    图3 单相交流电动机的正反转控制原理
    2、三相交流电动机的正反转控制
    采用AC-SSR构成三相交流电动机正反转的控制电路如图4所示。但开关S接通“Ⅰ”时，电动机正转；当S与“Ⅱ”接通时，因A、B两相导相而使电动机反转，其工作波形如图5所示。由波形图可知，当输入端加入输入信号时，各AC-SSR均是在各相电压过零时导通，使负载上的电压与三相电源电压同步。当输入端信号电压过零时，负载电流并不立即为零，如此时立即加上反向触发信号电压，必将造成主电路相间短路，这是控制三相异步电动机正反转必须注意的问题。因此在设计实际控制电路时，必须设置倒相延时电路，以保证AC-SSR电流过零关断后再响应开通SSR的反转触发信号。对于电动机一类的感性负载，延时一般约为60~70ms。

    图4 采用AC-SSR构成三相交流电动机正反转的控制电路

    图5 采用AC-SSR控制电动机的工作波形
    在实际应用SSR作为电子开关时还应注意以下问题：
    1、要考虑电动机浪涌电流的持续时间对SSR的影响，因此选用器件是要留有充分的电流余量。
    2、由于晶闸管的关断条件是电流过零，而感性负载上的电流滞后于两端电压一个相位角，在关断SSR时将产生较高的电压上升率，因此用于控制电机运转时应选用增强型固态SSR。几乎国产增强型SSR性能参数见表1。
    3、在采用SSR作为三相控制电子开关时，由于SSR的电流容量随环境温度的升高而降低，因此工作电流较大时应加散热片。此外，还应设置过电流、过电压和缺相保护等措施，防止负载短路。
    表1 增强型SSR（HS系列）性能参数
    型号参数
    单相晶闸管电流有效值（A）最大纯电阻连续负载电流（A）推荐使用三相电动机功率（KW）
    HS216/316 12 16 <1.2
    HS230/330 25 30 <2.2
    HS250/350 40 40（K式）、50（F式） <4
    HS260/360 55 40（K式）、60（F式） <7.5

    　

    　