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交流固態(tài)繼電器及其在電機(jī)可逆運(yùn)轉(zhuǎn)中的應(yīng)用
  

一、固態(tài)繼電器的分類與工作原理

固態(tài)繼電器SSR（Solid State Relay），又稱固態(tài)開(kāi)關(guān)，是一種全部由固態(tài)電子元器件組成的新型電子開(kāi)關(guān)器件。它集光耦合器、大功率雙向品閘管及其觸發(fā)電路、阻容吸收電路等器件于一體，用它代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁式繼電器，實(shí)際對(duì)單相或三相電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制，具有無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)動(dòng)作噪聲、開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)火花干擾和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前途的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件。

1、分類

按負(fù)載電源的類型不同可將SSR分為交流固態(tài)繼電器(AC-SSR)和直流固態(tài)繼電器（DC-SSR）。AC-SSR是一以雙向晶閘管作為開(kāi)關(guān)器件，用來(lái)接通或斷開(kāi)交流負(fù)載電源的固態(tài)繼電器。按AC-SSR的控制觸發(fā)方式不同，又可分為過(guò)零觸發(fā)型和隨機(jī)導(dǎo)通型兩種。過(guò)零觸發(fā)型AC-SSR是當(dāng)控制信號(hào)輸入后，在交流電源經(jīng)過(guò)零電壓附近時(shí)導(dǎo)通，故干擾很小。隨機(jī)導(dǎo)通型AC-SSR則是在交流電源的任一相位上導(dǎo)通或關(guān)斷，因此在導(dǎo)通瞬間可能產(chǎn)生較大的干擾。

2、工作原理

過(guò)零觸發(fā)型AC-SSR為四端器件，其內(nèi)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(kāi)，V₁構(gòu)成反相器，R₄、R₅、V₂和晶閘管V₃組成過(guò)零測(cè)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(kāi)啟的雙向觸發(fā)脈沖，R₃、R₇為分流電阻，分別用來(lái)保護(hù)V₃和V₄，R₈和C組成浪涌吸收網(wǎng)絡(luò)，以吸收電源中帶有的尖峰電壓或浪涌電流，防止對(duì)開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生沖擊和干擾。

圖1 過(guò)零觸發(fā)AC-SSR內(nèi)部電路

要指出的是所謂“過(guò)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(qū)域內(nèi)進(jìn)行觸發(fā)，如圖2所示。圖中交流電壓分三個(gè)區(qū)域，Ⅰ區(qū)為-10V~+10V范圍，稱為死區(qū)，在此區(qū)域中加入輸入信號(hào)時(shí)不能使SSR導(dǎo)通。Ⅱ區(qū)為10~25V和-（10~25）V范圍，稱為響應(yīng)區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)只要入輸入信號(hào)，SSR立即導(dǎo)通。Ⅲ區(qū)幅值大于25V的范圍，稱為抑制區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)加入輸入信號(hào)，SSR的導(dǎo)通被抑制。

圖2 電壓波形

當(dāng)輸入未加電壓信號(hào)時(shí)，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(wú)觸發(fā)電壓而截止，此時(shí)SSR關(guān)閉。當(dāng)加入輸入信號(hào)時(shí)，光耦合器中的發(fā)光二極管發(fā)光。光敏晶體管飽和，使V₁截止。此時(shí)若V₃兩端電壓在-（10~25）V或10~25V范圍內(nèi)時(shí)，只要適當(dāng)選擇分壓電阻R₄和R₅，就可使V₂截止，這樣使V₃觸發(fā)導(dǎo)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(fā)脈沖，而使V₄導(dǎo)通，使負(fù)載接通交流電源。而如交流電壓波形在圖2中Ⅲ區(qū)內(nèi)時(shí)，則因V₂飽和而抑制V₃和V₄的導(dǎo)通，而使SSR被抑制，從而實(shí)現(xiàn)了過(guò)零觸發(fā)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(guò)零電壓粗略地定義為0~±25V，即認(rèn)為在此區(qū)域內(nèi)，只要加入輸入信號(hào)，過(guò)零觸發(fā)型AC-SSR都能導(dǎo)通。

當(dāng)輸入端電壓信號(hào)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(shí)V₄仍保持導(dǎo)通，直到負(fù)載電流隨電源電壓減少到小于雙向晶閘管的維持電流時(shí)，SSR才轉(zhuǎn)為截止。

SSR的輸出端器件可分為雙向晶閘管反并聯(lián)形式。如負(fù)載為電動(dòng)機(jī)一類的感性負(fù)載，則其靜態(tài)電壓上升率d_v/d_t是一個(gè)重要參數(shù)。由于單向晶閘管靜態(tài)電壓上升率（200V/us）大大高于雙向晶閘管的換向指標(biāo)（10V/us），因此，如采用兩只大功率單向晶閘管反并聯(lián)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(qiáng)型SSR。

二、AC-SSR在電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制中的應(yīng)用

采用AC-SSR可以代替電磁式繼電器作為電子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的可逆運(yùn)轉(zhuǎn)控制。下面僅介紹采用AC-SSR對(duì)單相和三相交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制的原理及其使用注意事項(xiàng)。

1、單相交流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制

單相交流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制原理如圖3所示。電路中開(kāi)關(guān)S（可采用電子開(kāi)關(guān)）分別置于“Ⅰ”、“Ⅱ”位置時(shí)，電機(jī)分別為正傳和反轉(zhuǎn)。圖中M為單向交流電動(dòng)機(jī)，RC串聯(lián)組成外加吸收電路，RV為氧化鋅壓敏電阻，起過(guò)電壓保護(hù)作用。該電路工作效果的好壞，關(guān)鍵在于AC-SSR額定電壓的選取。由電路中運(yùn)行電容C回路的工作特點(diǎn)可知，當(dāng)AC-SSR₁或AC-SSR₂中任何一個(gè)關(guān)斷時(shí)，關(guān)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(shí)，應(yīng)大于電源電壓的2倍，換向時(shí)間也必須有30ms以上的延時(shí)。

圖3 單相交流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制原理

2、三相交流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制

采用AC-SSR構(gòu)成三相交流電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制電路如圖4所示。但開(kāi)關(guān)S接通“Ⅰ”時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)S與“Ⅱ”接通時(shí)，因A、B兩相導(dǎo)相而使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，其工作波形如圖5所示。由波形圖可知，當(dāng)輸入端加入輸入信號(hào)時(shí)，各AC-SSR均是在各相電壓過(guò)零時(shí)導(dǎo)通，使負(fù)載上的電壓與三相電源電壓同步。當(dāng)輸入端信號(hào)電壓過(guò)零時(shí)，負(fù)載電流并不立即為零，如此時(shí)立即加上反向觸發(fā)信號(hào)電壓，必將造成主電路相間短路，這是控制三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)必須注意的問(wèn)題。因此在設(shè)計(jì)實(shí)際控制電路時(shí)，必須設(shè)置倒相延時(shí)電路，以保證AC-SSR電流過(guò)零關(guān)斷后再響應(yīng)開(kāi)通SSR的反轉(zhuǎn)觸發(fā)信號(hào)。對(duì)于電動(dòng)機(jī)一類的感性負(fù)載，延時(shí)一般約為60~70ms。

圖4 采用AC-SSR構(gòu)成三相交流電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制電路

圖5 采用AC-SSR控制電動(dòng)機(jī)的工作波形

在實(shí)際應(yīng)用SSR作為電子開(kāi)關(guān)時(shí)還應(yīng)注意以下問(wèn)題：

1、要考慮電動(dòng)機(jī)浪涌電流的持續(xù)時(shí)間對(duì)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(guān)斷條件是電流過(guò)零，而感性負(fù)載上的電流滯后于兩端電壓一個(gè)相位角，在關(guān)斷SSR時(shí)將產(chǎn)生較高的電壓上升率，因此用于控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)選用增強(qiáng)型固態(tài)SSR。幾乎國(guó)產(chǎn)增強(qiáng)型SSR性能參數(shù)見(jiàn)表1。

3、在采用SSR作為三相控制電子開(kāi)關(guān)時(shí)，由于SSR的電流容量隨環(huán)境溫度的升高而降低，因此工作電流較大時(shí)應(yīng)加散熱片。此外，還應(yīng)設(shè)置過(guò)電流、過(guò)電壓和缺相保護(hù)等措施，防止負(fù)載短路。