固態繼電器的基本工作原理

摘要：結合大唐烏沙山發電廠電動執行器中采用的固態繼電器的使用情況，介紹了交流固態繼電器的基本工作原理、實際應用時的測試和故障判斷，提出了固態繼電器選型時應注意的問題，為調試和維修人員提供借鑒。

關鍵詞：固態；繼電器；原理；故障；電動執行器

　　大唐烏沙山發電廠4臺超臨界600MW機組的脫硫、化學和精處理系統均選用上海自動化儀表股份有限公司生產的AI系列智能型和德國德瑞摩（DREHMO）電動執行器，在這類執行器中均用了固態繼電器（SSR）。運行中脫硫系統DREHMO執行器及化學系統的執行機構均發生過拒動、速度偏慢或跳空氣開關等故障，而大部分檢修人員對固態繼電器的性能不是很熟悉，對處理此類問題有一定難度。因此有必要對固態繼電器的原理、類型、故障判斷及使用作進一步的認識。

1 典型交流固態繼電器的工作原理

　　固態繼電器（Solid State Relay，SSR）是一種有繼電特性的無觸點式電子開關。具有壽命長、可靠性高、開關速度快、電磁干擾小、無噪聲、無火花等特點。

　　交流固態繼電器（過零型）的原理見圖1。固態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后，IC1光電耦合器內光敏三極管呈導通狀態，R1串接電阻對輸入信號進行限流，以保證光耦合器不致損壞。發光二極管LED指示輸入端控制信號，二級管VD1可防止輸入信號正負極性接反時對光耦IC1造成的損壞。

  v1在線路中起到交流電壓檢測作用，使固態繼電器在電壓過零時開啟、負載電流過零時關斷。當IC1光敏三極管截止時（控制端無信號輸入時），V1通過R2獲得基極電流使之飽和導通，從而使SCR可控硅門極觸發電壓UGT被箝在低電位而處于關斷狀態，zui終導致BTA雙向可控硅在門極控制端R6上無觸發脈沖而處于關斷狀態。

 當IC1光敏三極管導通時（控制端有信號輸入），SCR可控硅的工作狀態由交流電壓零點檢測三極管V1來確定。如電源電壓經R2與R3分壓，A處電壓大于過零電壓時（VA>VBE1），V1處飽和導通狀態，SCR、BTA可控硅都處于關斷狀態；如電源電壓經R2與R3分壓，A處電壓小于過零電壓時（VA 　　交流過零型固態繼電器具有電壓過零時開啟、負載電流過零時關斷的特性。它的zui大接通、關斷時間是半個電源周期，在負載上可得到一個完整的正弦波形，也相應減少了對負載的沖擊。而在相應的控制回路中產生的射頻干擾也大大減少。

　　三相固態繼電器（SSR）可直接用于三相電機的控制。zui簡單的方法是采用2只SSR作電機通斷控制，4只SSR作電機換相控制，第三相不控制。固態繼電器與常規電磁繼電器優缺點比較見表1。

2 繼電器測試與故障判斷

　　以上儀廠使用的固態繼電器為例，其外部接線見圖2。

（1）當觸發端DO與D1、D2之間沒有加控制電壓時，測量輸入端電阻，如電阻小于4O Q或大于幾千Q時，均說明該繼電器控制性能不良，不要使用，否則會導致執行器電機轉速不穩或變慢等故障。

（2）在觸發端不加控制電壓，用數字萬用表測量繼電器三相輸人端與輸出端的電阻，如測得數值在數kQ 以下或電阻很小，或用數字萬用表測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，測得電阻在數拾MQ或kQ以下，說明繼電器已損壞，不能再使用。這時若執行送電操作，執行機構電源回路就會燒保險絲或跳空氣開關。

（3）如在觸發端DO與D1、D2之問加上控制電壓，紅燈與綠燈二個指示燈同時亮，且輸入與輸出端之間不導通，那么該繼電器模塊的觸發電路已損壞，不能再使用。這時進行執行機構操作會無反應。

（4）在觸發端DO與D1、D2之間分別加上控制電壓時，指示燈紅燈或綠燈亮，用數字萬用表測量繼電器三相輸入端與輸出端的電阻在數k 以上，或電阻一直變化不定，說明該繼電器模塊性能不良，也會造成電機速度變慢、不穩等故障，盡量不要再使用。

　?。?/span>5）在執行器通電且不發指令，固態繼電器開路且前端有電壓時，輸出端會有一定的漏電流，但10A以上的SSR漏電流對50w以上功率的負載基本無影響，需注意。

3 選型時應注意事項

（1）因電動執行器操作頻繁，宜選用過零型繼電器，可延長負載和繼電器壽命，也可減小自身的射頻干擾。

（2）許多被控負載在接通瞬間會產生很大的浪涌電流，由于熱量來不及散發，很可能使SSR內部可控硅損壞，所以在選用繼電器時應對被控負載的浪涌特性進行分析，然后再選擇繼電器。使繼電器在保證穩態工作前提下能夠承受這個浪涌電流，選擇時可選用0．2的降額系數（常溫下）。如所選用的繼電器需在動作頻繁、壽命及可靠性要求高的場合工作時，則應在0．2的基礎上再乘以0．6以確保工作可靠。

（3）繼電器使用時，因過流和負載短路會造成SSR內部輸出可控硅*損壞，可考慮在控制回路中增加快速熔斷器和空氣開關予以保護。當加在固態繼電器上的電壓峰值超過SSR所能承受的zui高電壓峰值時，固態繼電器元件會被電壓擊穿而造成損壞，因此應選擇有輸出保護的產品， 內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實現輸出保護。選用原　　則是：220 V時選用500～600 V壓敏電阻，380 V時可選用800～900V壓敏電阻。（4）固態繼電器負載能力受環境溫度和自身溫升的影響較大，在安裝使用過程中，應保證其有良好的散熱條件，額定工作電流在10 A以上的產品應配散熱器，在安裝時應注意繼電器底部與散熱器的良好接觸，并考慮涂適量導熱硅脂以達到*散熱效果。

（5）當輸入電壓或輸入電流超出繼電器的額定參數時，可考慮在輸入端串接分壓電阻或并接分流電阻，同時保持控制信號和負載電源穩定，波動不大于10％ ，否則應采取穩壓措施。

（6）固態繼電器適用于50 Hz或60 Hz，不宜用在低頻或高次諧波分量大的場合，否則可能由于高次諧波而不能可靠關斷。高次諧波還可能導致SSR內部的RC吸收回路因過熱而炸裂。

（7）在電機換向時，為避免產生類似電機堵轉時引起的較大沖擊電壓和電流，在執行機構控制回路中除了過壓、過流、溫度保護外，應采用先加后斷控制電路電源、后加先斷電機電源的時序， 以避免在導通的SSR未關斷時另一相SSR導通引起相間短路。

4 結束語

　　SSR與電磁式繼電器相比有諸多的*性，特別易于實現計算機編程控制，控制方便、靈活。但也存在一些弱點，如：易發熱損壞；關斷時存在漏電阻，不能使電路*分開；易受溫度和輻射的影響，穩定性差；靈敏度高，易產生誤動作等。因此須謹慎使用，方能發揮其性能，確保SSR無故障工作。