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  • 电工技能培训：带你了解固态继电器技术

    时间：2023-12-01关注：291次

    摘要

    1什么是固态继电器，有什么优缺点？

    固态继电器（亦称固体继电器）英文名称为SolidState Relay，简称SSR。它是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的具有继电器特性的无触点开关器件，单相SSR为四端有源器件，其中两个输入控制端，两个输出端，输入输出间为光隔离，输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后，输出端就能从断态转变成通态。
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    固态继电器可应用于哪些场合？
    固态继电器目前已广泛应用于计算机外围接口装置，电炉加热恒温系统，数控机械，遥控系统、工业自动化装置；信号灯、闪烁器、照明舞台灯光控制系统；仪器仪表、医疗器械、复印机、自动洗衣机；自动消防，保安系统，以及作为电网功率因素补偿的电力电容的切换开关等等，另外在化工、煤矿等需防爆、防潮、防腐蚀场合中都有大量使用。
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    固态继电器可分为哪些类型？
    交流固态继电器按开关方式分有电压过零导通型（简称过零型）和随机导通型（简称随机型）；按输出开关元件分有双向可控硅输出型（普通型）和单向可控硅反并联型（增强型）；按安装方式分有印刷线路板上用的针插式（自然冷却，不必带散热器）和固定在金属底板上的装置式（靠散热器冷却）；另外输入端又有宽范围输入（DC3－32V）的恒流源型和串电阻限流型等。
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    过零型SSR与随机型SSR的区别
     当输入端施加有效的控制信号时，随机型SSR输出端立即导通（速度为微秒级），而过零型SSR则要等到负载电压过零区域(约±15V)时才开启导通。当输入端撤消控制信号后，过零型和随机型SSR均在小于维持电流时关断。虽然过零型SSR有可能造成最大半个周期的延时，但却减少了对负载的冲击和产生的射频干扰，成为理想的开关器件，在“单刀单掷”的开关场合中应用最为广泛。随机型SSR的特点是反应速度快，它可以控制移相触发脉冲达到方便地改变交流电网电压，从而应用于精确地调温、调光等阻性负载及部分感性负载场合。
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    过零型SSR与随机型SSR在用途上有什么区别？
    过零型SSR用作“开关”切换（从“开关”切换功能而言即等同于普通的继电器或接触器），我们通常讲的固态继电器多数都为过零型（过零型SSR只能“开关”不能“调压”）。
    随机型SSR主要用于“斩波调压”（但随机型SSR的控制信号必须为与电网同步且上升沿可在0°-180°范围内改变的方波信号时才能实现调压，单一电压信号或0-5V的模拟信号并不能使其调压，从“调压”功能的角度讲随机型SSR完全不同于普通的继电器或接触器）。有一点必须强调，各类调压模块或固态继电器内部作为输出触点的器件均为可控硅，且都是依靠改变可控硅导通角来达到“调压”的目的，故输出的电压波形均为“缺角”的正弦波（不同于自耦调压器输出的完整正弦波），因此存在高次谐波，有一定噪音，电网有一定“污染”（国内外同类产品均相同，这是由斩波调压原理决定的）。
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    双向可控硅输出的普通型与单向可控硅反并联输出的增强型的区别
    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，将产生一个很大的电压上升率dv/dt（换向dv/dt）加在双向可控硅两端，如此值超过双向可控硅的换向dv/dt指标(典型值为10V/μs)则将导致延时关断，甚至失败。而单向可控硅为单极性工作状态，只受静态电压上升率dv/dt(典型值为100V/μs)影响，由两只单向可控硅反并联构成的增强型SSR比由一只双向可控硅构成的普通型SSR的换向dv/dt有了很大提高，因此在感性或容性负载场合宜选取增强型SSR。
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    如何判断固态继电器是否已经损坏？
    一般情况下，万用表不能判别SSR的好坏，正确的方法采用图1-2的测试电路：当输入电流为零时，电压表测出的电压为电网电压，电灯不亮（灯泡功率须25W以上）；当输入电流达到一定值以后，电灯亮，电压表测出的电压为SSR导通压降（在3V以下）。（请初次使用者务必注意：因SSR内部有RC回路而带来漏电流，因此不能等同于普通触点式的继电器、接触器，请参考后面的注意事项）。
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    固态继电器（或其他功率模块）一定需要配散热器吗?
    是的。除了电流小于6A的单相固态继电器以外，所有功率模块都需要选用合适的散热器配合使用。
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    固态继电器的发热及散热器的选择
    固态继电器或模块的发热量主要跟所驱动的负载的实际电流有关，而与其本身的电流等级大小关系不大。
    发热量的计算公式(两种)：
    1：单相固态继电器、单相交流调压模块、R系列固体调压器
    发热量=实际负载电流（安培）×1.5瓦/安培
    对三相固态继电器、三相交流调压模块，其实际负载电流应为三相实际负载电流之和。
    2：对于单相全控整流模块
    发热量=实际负载电流（安培）×3.0瓦/安培。
    散热器的作用就是把固态继电器或模块产生的热量散发出去，散热效果不但跟散热器的大小有关，还跟环境温度（季节）、通风条件（自然冷却或强迫冷却及风量大小）以及安装密度等因素均有关。散热效果的参考标准：使固态继电器或模块的底板（与散热器接触面）温度不得超过80℃。因此实际应用中可在散热器安装面靠近固态继电器或模块的边缘处（20mm以内）安装一只75℃的温度开关（带一对常闭触点），把固态继电器或模块的控制信号串入这对常闭触点，这样当检测点温度超过75℃时，常闭触点跳开，切断控制信号，强迫关闭固态继电器或模块的输出，使其得到保护。一般在每相实际电流超过50A、安装密度大、环境温度高的地方，最好采用温度开关保护。
    选用散热器除考虑上述因素外，还要考虑固态继电器或模块本身体积与散热器能否相配，以及散热器在机柜中的安装空间。但最终要保证即使在最恶劣情况下固态继电器或模块的底板温度也不得超过80℃。
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    在散热器上安装功率模块的要点
    固态继电器与散热器安装面间须涂一薄层导热硅脂。
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    固态继电器或其他功率模块适用的电网频率
    固态继电器SSR适用于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，如变频器输出端有多组负载需要分别切换，采用SSR作为开关则可能由于高次谐波使其不能可靠关断，并且高次谐波还可能使SSR内部的RC吸收回路因过热而炸裂。
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    三相固态继电器与三只单相单相固态继电器选择
     三相固态继电器（SSR）均为过零型，即三相SSR只能作“开关”，不能作“调压”。实际上三相SSR是把三个单相SSR做在一起，并用一个输入端控制。对实际负载电流不大的场合，三相SSR使用起来比较方便，但电流大时发热亦大，这时使用三只单相SSR更为可靠（因三只单独分开比集中在一起散热效果好，控制方法：三个输入端可串联或并联），另外如负载短路造成SSR损坏，三只单相SSR（一般损失一到二只）比一只三相SSR的损失要小。
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    交流调压模块能用于电机调速吗?
    有许多朋友希望用调压模块实现电机调速的目的，通常情况下交流电机需用变频器调速。只有风机、泵机类电动机等软特性负载、或者力矩电机场合可通过调压来实现调速。
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    交流调压模块与降压变压器间在使用上的区别
    负载额定电压低于电网电压时，有许多客户常常希望用调压模块去替代体大、笨重、价高的降压变压器（次级为低电压大电流）来实现其降压、调压的目的，这样是否可行是根据不同场合而定的。交流调压模块是利用斩波实现调压的，对于大变比的调压往往是不可行的，例如单相负载的额定电压为36VAC、额定电流为50A，要求在0V-36VAC内调压。如果用单相交流调压模块如（220V、120A）直接接到220VAC电网上去调压，因为输出36VAC电压时对应于调压模块内部可控硅的导通角为140°-180°和320°-360°，这两个小区域不可能输出50A电流，因为调压模块的120A是内部可控硅导通0°-360°的电流。并且即使采用增大调压模块的电流等级，来达到输出低电压大电流的方案，对负载和模块也不安全可靠，因为对负载而言，电网电压高于负载额定电压，一旦控制调压模块的输入信号产生失误，则输出电压大于负载额定电压，将导致负载因过压击穿或过流损坏，对模块而言，则产生过流烧毁。正确的方法应采用调压模块和变压器结合起来使用，如低电压大电流负载（单相或三相）的控制方式：先采用调压模块调压，再采用变压器降压
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    单相交流调压可选用哪些产品模块？
    单相交流调压场合，有多种模块组合可以实现，推荐次序如下：
    （1）全隔离单相交流调压模块。 
    （2）随机型固态继电器与随机型SSR移相触发器模块、同步变压器组成的调压系统。 
    （3）可控硅移相触发器模块与可控硅、同步变压器组成的调压系统。 
    （4）R系列固体调压器（只能用于低要求不隔离手动调节的温控场合）。 
    【特别注意】：(1)、(2)、(3)的次序亦适合于半波控制场合(只对电网正半周调压，典型应用于电振机)
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    三相交流调压可选用哪些产品模块？
     三相交流调压场合，有多种模块组合可以实现，推荐次序如下：
    （1）固态继电器三相移相触发器模块（连三相同步变压器块）与三只单相随机型固态继电器组成的调压系统。
    （2）全隔离三相交流调压一体化模块（连三相同步变压器模块）。
    （3）三相调压单硅移相触发器模块（连三相同步变压器模块）加三组反并联单向可控硅组成的调压系统；或三相调压双硅移相触发器模块（连三相同步变压器模块）加三只双向可控硅组成的调压系统。
    【特别注意】：三相负载为星型接法时中心点一般以不接地（不接中心线）为好，如必须接地也可；另外调压器件与三相电网（380伏）间有隔离（降压）主变压器时，客户须声明主变压器原副边的额定电压，否则不能直接使用下面的方案——而需定制同步变压器模块或相关器件。
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    交流整流可选用哪些产品模块？
     1、单相整流场合，推荐次序如下：
    （1）全隔离单相桥式全控整流模块加同步变压器。
    （2）单相双路可控硅移相触发器模块与同步变压器、单相半控全桥组成的调压系统。
    【特别说明】当直流负载额定电压较低时，要求先用变压器降低交流进线电压，再采用整流调压。例如直流负载额定电压为30VDC，要求在0-30VDC范围内调压，可采用220VAC/40VAC的变压器降压，再用单相桥式整流模块整流调压，而不能仅用单相整流模块对220VAC进线电压整流调压（0-30VDC）。
    2、三相整流场合，推荐次序如下：
    （1）三相全控整流移相触发器模块（连三相同步变压器模块）与‘三相全控全桥’组成的三相全控整流电路。
    （2）三相半控整流移相触发器模块（连三相同步变压器模块）与‘三相半控全桥’组成的三相半控整流电路。
    【特别注意】：‘三相桥’与三相电网（380伏）间有隔离（降压）主变压器时，客户须声明主变压器原副边的额定电压，否则不能直接使用下面的方案——而需定制同步变压器模块或触发器模块。
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    RC吸收回路和断态漏电流
    RC吸收回路的作用为吸收浪涌电压和提高静态dV/dt指标，但SSR内部的RC回路带来断态漏电流，一般来说2A-6A的SSR漏电流对10W以上功率的负载（如电机）基本无影响，10A以上的SSR漏电流对50W以上功率的负载基本无影响。另外在实际应用大感性负载场合，还可以在SSR两输出端再并联RC吸收回路以保护SSR。

    有些用户如负载功率小(如中间继电器、接触器的线圈、电磁吸铁微功率电动机等负载)我们可以定制漏电流小于1mA的固态继电器。
    用于功率扩展场合的固态继电器，在其内部应无RC回路，这是由于RC回路的充放电会产生误动作。

    万用表电阻档测量出固态继电器交流两端电阻接近为零时，说明此固态继电器内部的可控硅已损坏。除此以外，判断固态继电器的好坏必须采用带负载的电路。
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    固态继电器电压等级的选取及过压保护
    当加在固态继电器交流两端的电压峰值超过SSR所能承受的最高电压峰值时，固态继电器内的元件便会被电压击穿而造成SSR损坏，选取合适的电压等级和并联压敏电阻可以较好地保护SSR。

    a、交流负载为220V的阻性负载时可选取220V电压等级的SSR。
    b、交流负载为220V的感性负载或交流负载为380V的阻性负载时可选取380V电压等级的SSR。
    c、交流负载为380V的感性负载时可选取480V电压等级的SSR（480V等级的SSR还具有更高的静态dv/dt指标）；其他要求特殊、可靠性要求高的场合如电力补偿电容器切换、电动机正反转等均须选取480V电压等级的SSR。
    d、交流负载的电压小于100VAC以下场合时，选择固态继电器最好向我公司咨询定制。

    SSR过压的保护：除SSR内部本身有RC吸收回路保护外，还可以采取并联金属氧化物压敏电阻（MOV），MOV面积大小决定吸收功率，MOV的厚度决定保护电压值。一般220V系列SSR可选取500V-600V的压敏电阻，380V系列SSR可选取800V-900V的压敏电阻，480V系列SSR可选取1000V-1100V的压敏电阻。（注：我公司的SSR规定不能使用在大于500VAC的电网上）。

    【特别注意】：压敏电阻电压值选取太小，容易造成经常烧毁压敏电阻而短路（但SSR不损坏）；电压值选取太大，又起不到保护SSR的目的，故应用本公司SSR，如采用压敏电阻，请尽量选定在上述范围内。

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    固态继电器电流等级的选取及过流保护
    过流（最严重的情况为负载短路）是造成SSR内部输出可控硅永久性损坏的最主要原因。快速熔断器和空气开关是过流保护方法之一，小容量SSR也可选用保险丝；许多负载在接通瞬间会产生很大的浪涌电流，由于散热不及，浪涌电流与过流一样也是造成SSR内部输出可控硅损坏的最主要原因之一。因此选取固态继电器时，保证一定的电流余量是极其重要的。

    a、阻性负载时，选取SSR的电流等级宜大于等于2倍的负载额定电流。
    b、负载为交流电动机时，选取SSR的电流等级须大于等于6-7倍的电动机额定电流。
    c、交流电磁铁、中间继电器线保、电感线圈等负载时，选取SSR的电流等级宜大于等于4倍的负载额定电流，变压器时要求大于等于5倍变压器初级额定电流，特种感性、容性负载则应根据实际经验还须放大SSR的电流余量。
    d、电力补偿电容器类负载时，选取SSR的电流等级须大于5倍的负载额定电流。

    【特别注意】：由于SSR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，故快速熔断器并不能百分之一百地保护SSR。选取快速熔断器的电流等级的原则为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，这样快熔就能比较可靠地保护SSR。电动机、电力补偿电容器类负载因有很大的开启冲击电流，故宜选取空气开关作保护。空气开关分“慢速”和“快速”两类：“慢速”类主要应用于如电动机、电力电容器等有很大启动冲击电流的负载；“快速”类主要应用于阻性、其他感性类负载。空气开关的保护速度低于快熔，因此在负载短路时也不能百分之一百地保护SSR。

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