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固態(tài)繼電器的基本工作原理是什么?

摘要：結(jié)合大唐烏沙山發(fā)電廠電動(dòng)執(zhí)行器中采用的固態(tài)繼電器的使用情況，介紹了交流固態(tài)繼電器的基本工作原理、實(shí)際應(yīng)用時(shí)的測(cè)試和故障判斷，提出了固態(tài)繼電器選型時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題，為調(diào)試和維修人員提供借鑒。

關(guān)鍵詞：固態(tài)；繼電器；原理；故障；電動(dòng)執(zhí)行器

　　大唐烏沙山發(fā)電廠4臺(tái)超臨界600MW機(jī)組的脫硫、化學(xué)和精處理系統(tǒng)均選用株洲市康普斯電子有限公司生產(chǎn)的AI系列智能型和德國(guó)德瑞摩（DREHMO）電動(dòng)執(zhí)行器，在這類(lèi)執(zhí)行器中均用了固態(tài)繼電器（SSR）。運(yùn)行中脫硫系統(tǒng)DREHMO執(zhí)行器及化學(xué)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)均發(fā)生過(guò)拒動(dòng)、速度偏慢或跳空氣開(kāi)關(guān)等故障，而大部分檢修人員對(duì)固態(tài)繼電器的性能不是很熟悉，對(duì)處理此類(lèi)問(wèn)題有一定難度。因此有必要對(duì)固態(tài)繼電器的原理、類(lèi)型、故障判斷及使用作進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

1 典型交流固態(tài)繼電器的工作原理

　　固態(tài)繼電器（Solid State Relay，SSR）是一種有繼電特性的無(wú)觸點(diǎn)式電子開(kāi)關(guān)。具有壽命長(zhǎng)、可靠性高、開(kāi)關(guān)速度快、電磁干擾小、無(wú)噪聲、無(wú)火花等特點(diǎn)。

　　交流固態(tài)繼電器（過(guò)零型）的原理見(jiàn)圖1。固態(tài)繼電器由三部分組成：輸入電路、隔離（耦合）和輸出電路，在輸入電路控制端加入信號(hào)后，IC1光電耦合器內(nèi)光敏三極管呈導(dǎo)通狀態(tài)，R1串接電阻對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行限流，以保證光耦合器不致?lián)p壞。發(fā)光二極管LED指示輸入端控制信號(hào)，二級(jí)管VD1可防止輸入信號(hào)正負(fù)極性接反時(shí)對(duì)光耦I(lǐng)C1造成的損壞。

  v1在線路中起到交流電壓檢測(cè)作用，使固態(tài)繼電器在電壓過(guò)零時(shí)開(kāi)啟、負(fù)載電流過(guò)零時(shí)關(guān)斷。當(dāng)IC1光敏三極管截止時(shí)（控制端無(wú)信號(hào)輸入時(shí)），V1通過(guò)R2獲得基極電流使之飽和導(dǎo)通，從而使SCR可控硅門(mén)極觸發(fā)電壓UGT被箝在低電位而處于關(guān)斷狀態(tài)，zui終導(dǎo)致BTA雙向可控硅在門(mén)極控制端R6上無(wú)觸發(fā)脈沖而處于關(guān)斷狀態(tài)。

 當(dāng)IC1光敏三極管導(dǎo)通時(shí)（控制端有信號(hào)輸入），SCR可控硅的工作狀態(tài)由交流電壓零點(diǎn)檢測(cè)三極管V1來(lái)確定。如電源電壓經(jīng)R2與R3分壓，A處電壓大于過(guò)零電壓時(shí)（VA>VBE1），V1處飽和導(dǎo)通狀態(tài)，SCR、BTA可控硅都處于關(guān)斷狀態(tài)；如電源電壓經(jīng)R2與R3分壓，A處電壓小于過(guò)零電壓時(shí)（VA 　　交流過(guò)零型固態(tài)繼電器具有電壓過(guò)零時(shí)開(kāi)啟、負(fù)載電流過(guò)零時(shí)關(guān)斷的特性。它的zui大接通、關(guān)斷時(shí)間是半個(gè)電源周期，在負(fù)載上可得到一個(gè)完整的正弦波形，也相應(yīng)減少了對(duì)負(fù)載的沖擊。而在相應(yīng)的控制回路中產(chǎn)生的射頻干擾也大大減少。

　　三相固態(tài)繼電器（SSR）可直接用于三相電機(jī)的控制。zui簡(jiǎn)單的方法是采用2只SSR作電機(jī)通斷控制，4只SSR作電機(jī)換相控制，第三相不控制。固態(tài)繼電器與常規(guī)電磁繼電器優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表1。

2 繼電器測(cè)試與故障判斷

　　以株洲康普斯電子公司使用的固態(tài)繼電器為例，其外部接線見(jiàn)圖2。

（1）當(dāng)觸發(fā)端DO與D1、D2之間沒(méi)有加控制電壓時(shí)，測(cè)量輸入端電阻，如電阻小于4O Q或大于幾千Q時(shí)，均說(shuō)明該繼電器控制性能不良，不要使用，否則會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行器電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)或變慢等故障
 

（2）在觸發(fā)端不加控制電壓，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量繼電器三相輸人端與輸出端的電阻，如測(cè)得數(shù)值在數(shù)kQ 以下或電阻很小，或用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量繼電器輸入端與輸入端、輸出端與輸出端及與散熱板之間的電阻，測(cè)得電阻在數(shù)拾MQ或kQ以下，說(shuō)明繼電器已損壞，不能再使用。這時(shí)若執(zhí)行送電操作，執(zhí)行機(jī)構(gòu)電源回路就會(huì)燒保險(xiǎn)絲或跳空氣開(kāi)關(guān)。

（3）如在觸發(fā)端DO與D1、D2之問(wèn)加上控制電壓，紅燈與綠燈二個(gè)指示燈同時(shí)亮，且輸入與輸出端之間不導(dǎo)通，那么該繼電器模塊的觸發(fā)電路已損壞，不能再使用。這時(shí)進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作會(huì)無(wú)反應(yīng)。

（4）在觸發(fā)端DO與D1、D2之間分別加上控制電壓時(shí)，指示燈紅燈或綠燈亮，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量繼電器三相輸入端與輸出端的電阻在數(shù)k 以上，或電阻一直變化不定，說(shuō)明該繼電器模塊性能不良，也會(huì)造成電機(jī)速度變慢、不穩(wěn)等故障，盡量不要再使用。

　?。?）在執(zhí)行器通電且不發(fā)指令，固態(tài)繼電器開(kāi)路且前端有電壓時(shí)，輸出端會(huì)有一定的漏電流，但10A以上的SSR漏電流對(duì)50w以上功率的負(fù)載基本無(wú)影響，需注意。

3 選型時(shí)應(yīng)注意事項(xiàng)

（1）因電動(dòng)執(zhí)行器操作頻繁，宜選用過(guò)零型繼電器，可延長(zhǎng)負(fù)載和繼電器壽命，也可減小自身的射頻干擾。

（2）許多被控負(fù)載在接通瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電流，由于熱量來(lái)不及散發(fā)，很可能使SSR內(nèi)部可控硅損壞，所以在選用繼電器時(shí)應(yīng)對(duì)被控負(fù)載的浪涌特性進(jìn)行分析，然后再選擇繼電器。使繼電器在保證穩(wěn)態(tài)工作前提下能夠承受這個(gè)浪涌電流，選擇時(shí)可選用0．2的降額系數(shù)（常溫下）。如所選用的繼電器需在動(dòng)作頻繁、壽命及可靠性要求高的場(chǎng)合工作時(shí)，則應(yīng)在0．2的基礎(chǔ)上再乘以0．6以確保工作可靠。

（3）繼電器使用時(shí)，因過(guò)流和負(fù)載短路會(huì)造成SSR內(nèi)部輸出可控硅*損壞，可考慮在控制回路中增加快速熔斷器和空氣開(kāi)關(guān)予以保護(hù)。當(dāng)加在固態(tài)繼電器上的電壓峰值超過(guò)SSR所能承受的zui高電壓峰值時(shí)，固態(tài)繼電器元件會(huì)被電壓擊穿而造成損壞，因此應(yīng)選擇有輸出保護(hù)的產(chǎn)品， 內(nèi)置壓敏電阻吸收回路和RC緩沖器可吸收浪涌電壓和提高dv／dt承受力；也可在繼電器輸出端并接RC吸收回路和壓敏電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出保護(hù)。選用原　　則是：220 V時(shí)選用500～600 V壓敏電阻，380 V時(shí)可選用800～900V壓敏電阻。（4）固態(tài)繼電器負(fù)載能力受環(huán)境溫度和自身溫升的影響較大，在安裝使用過(guò)程中，應(yīng)保證其有良好的散熱條件，額定工作電流在10 A以上的產(chǎn)品應(yīng)配散熱器，在安裝時(shí)應(yīng)注意繼電器底部與散熱器的良好接觸，并考慮涂適量導(dǎo)熱硅脂以達(dá)到*散熱效果。

（5）當(dāng)輸入電壓或輸入電流超出繼電器的額定參數(shù)時(shí)，可考慮在輸入端串接分壓電阻或并接分流電阻，同時(shí)保持控制信號(hào)和負(fù)載電源穩(wěn)定，波動(dòng)不大于10％ ，否則應(yīng)采取穩(wěn)壓措施。

（6）固態(tài)繼電器適用于50 Hz或60 Hz，不宜用在低頻或高次諧波分量大的場(chǎng)合，否則可能由于高次諧波而不能可靠關(guān)斷。高次諧波還可能導(dǎo)致SSR內(nèi)部的RC吸收回路因過(guò)熱而炸裂。

（7）在電機(jī)換向時(shí)，為避免產(chǎn)生類(lèi)似電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)引起的較大沖擊電壓和電流，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制回路中除了過(guò)壓、過(guò)流、溫度保護(hù)外，應(yīng)采用先加后斷控制電路電源、后加先斷電機(jī)電源的時(shí)序， 以避免在導(dǎo)通的SSR未關(guān)斷時(shí)另一相SSR導(dǎo)通引起相間短路。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　SSR與電磁式繼電器相比有諸多的*性，特別易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)編程控制，控制方便、靈活。但也存在一些弱點(diǎn)，如：易發(fā)熱損壞；關(guān)斷時(shí)存在漏電阻，不能使電路*分開(kāi)；易受溫度和輻射的影響，穩(wěn)定性差；靈敏度高，易產(chǎn)生誤動(dòng)作等。因此須謹(jǐn)慎使用，方能發(fā)揮其性能，確保SSR*工作。