曲靖市電工技能培訓(xùn)：帶你了解固態(tài)繼電器技術(shù)
[日期：2023-12-01] 來源：云南技能考試網(wǎng) 作者：云南技能考試網(wǎng) 閱讀：279次
1什么是固態(tài)繼電器，有什么優(yōu)缺點(diǎn)？
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(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點(diǎn)作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點(diǎn)開關(guān)器件，單相SSR為四端有源器件，其中兩個(gè)輸入控制端，兩個(gè)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)繼電器可應(yīng)用于哪些場合？固態(tài)繼電器目前已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外圍接口裝置，電爐加熱恒溫系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)械，遙控系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)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(fù)印機(jī)、自動(dòng)洗衣機(jī)；自動(dòng)消防，保安系統(tǒng)，以及作為電網(wǎng)功率因素補(bǔ)償?shù)碾娏﹄娙莸那袚Q開關(guān)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(guān)方式分有電壓過零導(dǎo)通型（簡稱過零型）和隨機(jī)導(dǎo)通型（簡稱隨機(jī)型）；按輸出開關(guān)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(qiáng)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(dāng)輸入端施加有效的控制信號時(shí)，隨機(jī)型SSR輸出端立即導(dǎo)通（速度為微秒級），而過零型SSR則要等到負(fù)載電壓過零區(qū)域(約±15V)時(shí)才開啟導(dǎo)通。當(dāng)輸入端撤消控制信號后，過零型和隨機(jī)型SSR均在小于維持電流時(shí)關(guān)斷。雖然過零型SSR有可能造成最大半個(gè)周期的延時(shí)，但卻減少了對負(fù)載的沖擊和產(chǎn)生的射頻干擾，成為理想的開關(guān)器件，在“單刀單擲”的開關(guān)場合中應(yīng)用最為廣泛。隨機(jī)型SSR的特點(diǎn)是反應(yīng)速度快，它可以控制移相觸發(fā)脈沖達(dá)到方便地改變交流電網(wǎng)電壓，從而應(yīng)用于精確地調(diào)溫、調(diào)光等阻性負(fù)載及部分感性負(fù)載場合。過零型SSR與隨機(jī)型SSR在用途上有什么區(qū)別？過零型SSR用作“開關(guān)”切換（從“開關(guān)”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(guān)”不能“調(diào)壓”）。
隨機(jī)型SSR主要用于“斬波調(diào)壓”（但隨機(jī)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(shí)才能實(shí)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(jī)型SSR完全不同于普通的繼電器或接觸器）。有一點(diǎn)必須強(qiáng)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(diǎn)的器件均為可控硅，且都是依靠改變可控硅導(dǎo)通角來達(dá)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(qiáng)型的區(qū)別在感性負(fù)載的場合，當(dāng)SSR由通態(tài)關(guān)斷時(shí)，由于電流、電壓的相位不一致，將產(chǎn)生一個(gè)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(biāo)(典型值為10V/μs)則將導(dǎo)致延時(shí)關(guān)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(qiáng)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(fù)載場合宜選取增強(qiáng)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(dāng)輸入電流為零時(shí)，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(dāng)輸入電流達(dá)到一定值以后，電燈亮，電壓表測出的電壓為SSR導(dǎo)通壓降（在3V以下）。（請初次使用者務(wù)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(diǎn)式的繼電器、接觸器，請參考后面的注意事項(xiàng)）。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(dòng)的負(fù)載的實(shí)際電流有關(guān)，而與其本身的電流等級大小關(guān)系不大。
發(fā)熱量的計(jì)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(shí)際負(fù)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(shí)際負(fù)載電流應(yīng)為三相實(shí)際負(fù)載電流之和。
2：對于單相全控整流模塊
發(fā)熱量=實(shí)際負(fù)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(guān)，還跟環(huán)境溫度（季節(jié)）、通風(fēng)條件（自然冷卻或強(qiáng)迫冷卻及風(fēng)量大小）以及安裝密度等因素均有關(guān)。散熱效果的參考標(biāo)準(zhǔn)：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(shí)際應(yīng)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(guān)（帶一對常閉觸點(diǎn)），把固態(tài)繼電器或模塊的控制信號串入這對常閉觸點(diǎn)，這樣當(dāng)檢測點(diǎn)溫度超過75℃時(shí)，常閉觸點(diǎn)跳開，切斷控制信號，強(qiáng)迫關(guān)閉固態(tài)繼電器或模塊的輸出，使其得到保護(hù)。一般在每相實(shí)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(guān)保護(hù)。
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(jī)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(dǎo)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(fù)載需要分別切換，采用SSR作為開關(guān)則可能由于高次諧波使其不能可靠關(guān)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(guān)”，不能作“調(diào)壓”。實(shí)際上三相SSR是把三個(gè)單相SSR做在一起，并用一個(gè)輸入端控制。對實(shí)際負(fù)載電流不大的場合，三相SSR使用起來比較方便，但電流大時(shí)發(fā)熱亦大，這時(shí)使用三只單相SSR更為可靠（因三只單獨(dú)分開比集中在一起散熱效果好，控制方法：三個(gè)輸入端可串聯(lián)或并聯(lián)），另外如負(fù)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(jī)調(diào)速嗎?有許多朋友希望用調(diào)壓模塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的目的，通常情況下交流電機(jī)需用變頻器調(diào)速。只有風(fēng)機(jī)、泵機(jī)類電動(dòng)機(jī)等軟特性負(fù)載、或者力矩電機(jī)場合可通過調(diào)壓來實(shí)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(fù)載額定電壓低于電網(wǎng)電壓時(shí)，有許多客戶常常希望用調(diào)壓模塊去替代體大、笨重、價(jià)高的降壓變壓器（次級為低電壓大電流）來實(shí)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(shí)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(fù)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?yàn)檩敵?6VAC電壓時(shí)對應(yīng)于調(diào)壓模塊內(nèi)部可控硅的導(dǎo)通角為140°-180°和320°-360°，這兩個(gè)小區(qū)域不可能輸出50A電流，因?yàn)檎{(diào)壓模塊的120A是內(nèi)部可控硅導(dǎo)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(dá)到輸出低電壓大電流的方案，對負(fù)載和模塊也不安全可靠，因?yàn)閷ω?fù)載而言，電網(wǎng)電壓高于負(fù)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(fù)載額定電壓，將導(dǎo)致負(fù)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(yīng)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(fù)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(shí)現(xiàn)，推薦次序如下：
（1）全隔離單相交流調(diào)壓模塊。
（2）隨機(jī)型固態(tài)繼電器與隨機(jī)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(dòng)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(yīng)用于電振機(jī))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(shí)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(jī)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(fù)載為星型接法時(shí)中心點(diǎn)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(shí)，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(guān)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(dāng)直流負(fù)載額定電壓較低時(shí)，要求先用變壓器降低交流進(jìn)線電壓，再采用整流調(diào)壓。例如直流負(fù)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(jìn)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(shí)，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(biāo)，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(fù)載（如電機(jī)）基本無影響，10A以上的SSR漏電流對50W以上功率的負(fù)載基本無影響。另外在實(shí)際應(yīng)用大感性負(fù)載場合，還可以在SSR兩輸出端再并聯(lián)RC吸收回路以保護(hù)SSR。
有些用戶如負(fù)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(dòng)機(jī)等負(fù)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(kuò)展場合的固態(tài)繼電器，在其內(nèi)部應(yīng)無RC回路，這是由于RC回路的充放電會產(chǎn)生誤動(dòng)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(shí)，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(fù)載的電路。固態(tài)繼電器電壓等級的選取及過壓保護(hù)當(dāng)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(shí)，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(hù)SSR。
a、交流負(fù)載為220V的阻性負(fù)載時(shí)可選取220V電壓等級的SSR。
b、交流負(fù)載為220V的感性負(fù)載或交流負(fù)載為380V的阻性負(fù)載時(shí)可選取380V電壓等級的SSR。
c、交流負(fù)載為380V的感性負(fù)載時(shí)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(biāo)）；其他要求特殊、可靠性要求高的場合如電力補(bǔ)償電容器切換、電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)等均須選取480V電壓等級的SSR。
d、交流負(fù)載的電壓小于100VAC以下場合時(shí)，選擇固態(tài)繼電器最好向我公司咨詢定制。
SSR過壓的保護(hù)：除SSR內(nèi)部本身有RC吸收回路保護(hù)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(hù)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(hù)SSR的目的，故應(yīng)用本公司SSR，如采用壓敏電阻，請盡量選定在上述范圍內(nèi)。固態(tài)繼電器電流等級的選取及過流保護(hù)過流（最嚴(yán)重的情況為負(fù)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�？焖偃蹟嗥骱涂諝忾_關(guān)是過流保護(hù)方法之一，小容量SSR也可選用保險(xiǎn)絲；許多負(fù)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(shí)，保證一定的電流余量是極其重要的。
a、阻性負(fù)載時(shí)，選取SSR的電流等級宜大于等于2倍的負(fù)載額定電流。
b、負(fù)載為交流電動(dòng)機(jī)時(shí)，選取SSR的電流等級須大于等于6-7倍的電動(dòng)機(jī)額定電流。
c、交流電磁鐵、中間繼電器線保、電感線圈等負(fù)載時(shí)，選取SSR的電流等級宜大于等于4倍的負(fù)載額定電流，變壓器時(shí)要求大于等于5倍變壓器初級額定電流，特種感性、容性負(fù)載則應(yīng)根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)還須放大SSR的電流余量。
d、電力補(bǔ)償電容器類負(fù)載時(shí)，選取SSR的電流等級須大于5倍的負(fù)載額定電流。
【特別注意】：由于SSR內(nèi)部的可控硅在負(fù)載短路時(shí)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(hù)SSR。選取快速熔斷器的電流等級的原則為略大于最大負(fù)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(hù)SSR。電動(dòng)機(jī)、電力補(bǔ)償電容器類負(fù)載因有很大的開啟沖擊電流，故宜選取空氣開關(guān)作保護(hù)。空氣開關(guān)分“慢速”和“快速”兩類：“慢速”類主要應(yīng)用于如電動(dòng)機(jī)、電力電容器等有很大啟動(dòng)沖擊電流的負(fù)載；“快速”類主要應(yīng)用于阻性、其他感性類負(fù)載。空氣開關(guān)的保護(hù)速度低于快熔，因此在負(fù)載短路時(shí)也不能百分之一百地保護(hù)SSR。
