固態(tài)繼電器在電廠電動(dòng)執(zhí)行器中的應(yīng)用及故障判斷

1、2008年全國發(fā)電廠熱工自動(dòng)化專業(yè)會(huì)議論文集固態(tài)繼電器在電廠電動(dòng)執(zhí)行器中的應(yīng)用及故障判斷The Application and Fault Diagnosis of Solid State Relay in The Power Plant Electric Executive Body孫惠順 施可登（浙江省火電建設(shè)公司 杭州 310016）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)繼電器使用情況，介紹了交流固態(tài)繼電器的基本工作原理、分類方式、應(yīng)用測(cè)量和故障判斷，提出了固態(tài)繼電器選型時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)，為電廠調(diào)試和維修人員提供了借鑒和幫助。 關(guān)鍵字：固態(tài)繼電器 原理分析 故障判斷及選用1概述

2、大唐烏沙山發(fā)電廠4臺(tái)超臨界60萬千瓦機(jī)組的脫硫系統(tǒng)、化學(xué)系統(tǒng)和精處理系統(tǒng)均選用上海自動(dòng)化儀表股份有限公司生產(chǎn)的AI系列智能型和德國德瑞摩（DREHMO）電動(dòng)執(zhí)行器，在這此執(zhí)行器中均用了固態(tài)繼電器。在使用過程中，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)發(fā)生了操作不動(dòng)、速度偏慢或跳空氣開關(guān)等故障，而大部分檢修人員對(duì)此固態(tài)繼電器的性能不是很熟悉，對(duì)處理此類問題存在難度。本文對(duì)固態(tài)繼電器的原理、類型、故障判斷及使用要求進(jìn)行闡述。2 固態(tài)繼電器的工作原理與特點(diǎn)分析固態(tài)繼電器（Solid State Relay ，縮寫 SSR）是用分離電子元器件、集成電路（或芯片）及混合微電路技術(shù)結(jié)合發(fā)展，是一種具

3、有繼電特性的無觸點(diǎn)式電子開關(guān)。具有壽命長、可靠性高、開關(guān)速度快、電磁干擾小、無噪聲、無火花等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于家電、機(jī)床、通訊、化工、煤礦等工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。交流固態(tài)繼電器主要分類方式如下：交流固態(tài)繼電器分類按開關(guān)方式分電壓過零導(dǎo)通型（簡稱過零型）電壓隨機(jī)導(dǎo)通型（簡稱隨機(jī)型）按輸入端分光隔離型, 如上儀廠的就是這種磁隔離按輸出開關(guān)元件分雙向可控硅輸出型單向可控硅反并聯(lián)型（增強(qiáng)型）按安裝方式分焊針式：線路板用，一般為小電流規(guī)格裝置式：可配置散熱器安裝固定在金屬底板上，大電流規(guī)格，如上儀廠的就是這種2.1 典型交流固態(tài)繼電器原理分析2.1.1 交流固態(tài)繼電器（過零型）原理分析（見圖1）固態(tài)繼電器由三

4、部分組成：輸入電路、隔離（耦合）和輸出電路組成，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。LED發(fā)光二極管指示輸入端控制信號(hào)，VD1可防止當(dāng)輸入信號(hào)正負(fù)極性接反時(shí)以保護(hù)光耦I(lǐng)C1。AaD1D0紅、綠燈V1在線路中起到交流電壓檢測(cè)作用，使固態(tài)繼電器在電壓過零時(shí)開啟、負(fù)載電流過零時(shí)關(guān)斷。當(dāng)IC1光敏三極管截止時(shí)(控制端無信號(hào)輸入時(shí))，V1通過R2獲得基極電流使之飽和導(dǎo)通,從而使 SCR可控硅門極觸發(fā)電壓UGT被箝在低電位而處于關(guān)斷狀態(tài)，最終導(dǎo)致BTA雙向可控硅在門極控制端R6上無觸發(fā)脈沖而處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)IC1光敏三

5、極管導(dǎo)通時(shí)( 控制端有信號(hào)輸入時(shí)) ，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來確定其工作狀態(tài) 。如電源電壓經(jīng)R2與R3分壓，A處電壓大于過零電壓時(shí)(VAVBE1)，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處電壓小于過零電壓時(shí)（VAVBE1）V1處截止?fàn)顟B(tài)，SCR可控硅通過R4獲得觸發(fā)信號(hào)而導(dǎo)通 ,從而使 BTA在R6上也獲得觸發(fā)信號(hào)也呈導(dǎo)通狀態(tài),對(duì)負(fù)載電源進(jìn)行關(guān)斷控制。如此時(shí)控制端信號(hào)關(guān)斷后,負(fù)載電流也隨之減小至BTA雙向可控硅的維持電流IH時(shí)可自行關(guān)斷,切斷負(fù)載電源。為防止高次諧波的干擾和對(duì)電網(wǎng)的污染和從電源中傳來的尖峰、浪涌(電壓)

6、對(duì)開關(guān)器件雙向可控硅管的沖擊和干擾(甚至誤動(dòng)作)而設(shè)計(jì)了吸收電路，吸收電路一般是用“R-C”串聯(lián)吸收電路或非線性電阻(壓敏電阻器)（如圖1中的C1、R7）。交流過零型固態(tài)繼電器，因有其電壓過零時(shí)開啟，負(fù)載電流過零時(shí)關(guān)斷的特性。它的最大接通、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。過零型與隨機(jī)型的工作波形圖分別見圖2和圖3。在烏電上儀廠和德瑞摩執(zhí)行器中所用的就是該類型繼電器。2.1.2 三相固態(tài)繼電器在電動(dòng)執(zhí)行器應(yīng)用原理 三相固態(tài)繼電器（SSR）可直接用于三相電機(jī)的控制。最簡單的方法，是采用2只SSR作電機(jī)

7、通斷控制，4只SSR作電機(jī)換相控制，第三相不控制。2.1.3 固態(tài)繼電器與常規(guī)電磁繼電器優(yōu)缺點(diǎn)比較（見表1）表1電磁繼電器與固態(tài)繼電器比較項(xiàng) 目類 型固態(tài)繼電器（SSR）電磁繼電器（EMR）靈敏度輸入電壓范圍寬，驅(qū)動(dòng)功率低，可以和邏輯集成電路兼容不需要加緩沖器或驅(qū)動(dòng)器，具有高靈敏度、控制功率小的特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率30mW?？刂齐妷狠^窄，需加驅(qū)動(dòng)電路，靈敏度差，一般在幾百毫瓦。壽命和可靠性無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，可在沖擊振動(dòng)環(huán)境工作，由固態(tài)繼電器完成觸點(diǎn)功能，具有壽命長、可靠性高特點(diǎn)。對(duì)沖擊、振動(dòng)環(huán)境較敏感，觸點(diǎn)壽命較短、可靠性較低。切換速度切換速度快，幾毫秒。切換速度一般大于20毫秒。電磁干擾因大多數(shù)交流

8、輸出固態(tài)繼電器輸出是一個(gè)零電壓開關(guān)，射頻干擾較小。因本身線圈以及觸點(diǎn)控制會(huì)有較大的電磁干擾。導(dǎo)通壓降導(dǎo)通管壓降大，斷開有漏電流。導(dǎo)通壓降小、觸點(diǎn)電阻小，斷開無漏流。控制觸點(diǎn)通用性固態(tài)繼電器一般為單刀單擲式對(duì)外控制，如需多組控制較難，交、直流通用性差。對(duì)外進(jìn)行多組控制較易，可交直流通用，在開關(guān)控制過程中常伴有幾毫秒到幾十毫秒的抖動(dòng)。3繼電器測(cè)量與故障判斷圖4以上儀廠使用的上海南岳電力電子有限公司繼電器為例，來說明如何測(cè)量繼電器（見圖4）。圖5固態(tài)繼電器實(shí)物外形如圖5所示。3.1 繼電器測(cè)量1）在上儀廠和德瑞摩執(zhí)行器中所用的固態(tài)繼電器，三相固態(tài)繼電器與電磁繼電器一樣也是A、B、C三相電源輸入，a、

9、b、c三相輸出，在觸發(fā)電路上沒有加控制電壓時(shí)不導(dǎo)通，在不加控制電壓時(shí)用數(shù)字萬表測(cè)量輸入端與輸出端之前有數(shù)百兆歐至無窮大阻值（根據(jù)生產(chǎn)廠家不同或數(shù)字測(cè)量儀表的不同，阻值有所不同），但上海自動(dòng)化儀表股份有限公司的AI系列智能型執(zhí)行器所用SSR的C相為直接相通，不用可控硅控制，只在A、B相之間換相。2）在控制端D1與D0之間加入1236V直流控制電壓，D1端接正極，D0端接負(fù)極，這時(shí)綠燈亮，繼電器A與a導(dǎo)通，B與b導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通電阻在1020歐姆之間或更小（用不同數(shù)字萬用表測(cè)量）。如果接在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，那就是正轉(zhuǎn)；把接D1端的正極電源換接到D2中，此時(shí)紅燈亮，繼電器A與b導(dǎo)通，B與a導(dǎo)通，這是執(zhí)行器

10、就可反轉(zhuǎn)。3）如果在控制端加壓小于12V，那固態(tài)繼電器將不完全導(dǎo)通，將呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，隨著控制電壓變化，導(dǎo)通電阻也將隨著變化，這時(shí)可以作為調(diào)壓器使用。4） 繼電器廠家不同及系列型號(hào)不同，控制端的控制電壓也將不同，有3V、15V等，實(shí)際以廠家要求為準(zhǔn)。3.2 繼電器的故障判斷1）如在觸發(fā)端D0與D1、D2之間沒有加上控制電壓時(shí)，測(cè)量輸入端電阻時(shí)，其呈現(xiàn)電阻如小于40歐姆或大于幾千歐姆時(shí)，均說明該繼電器控制器性能已不良，最好不要使用，這時(shí)為出現(xiàn)執(zhí)行器電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)或變慢等。2）在觸發(fā)端不加控制電壓時(shí)，用數(shù)字萬用表測(cè)量繼電器三相輸入端與輸出端的電阻在數(shù)千歐以下或電阻很小，說明繼電器已損壞，不能再使用。這

11、時(shí)送電操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)電源回路就燒保險(xiǎn)絲或跳空氣開關(guān)。3）在觸發(fā)端不加控制電壓時(shí)，用數(shù)字萬用表測(cè)量繼電器三相輸入端與輸入端之間，輸出端與輸出端之間及與散熱板之間的電阻在數(shù)拾兆歐或千歐以下。說明繼電器絕緣已損壞，不能再使用，這時(shí)執(zhí)行器電源回路就燒保險(xiǎn)絲或跳空氣開關(guān)。4）如在觸發(fā)端D0與D1、D2之間加上控制電壓時(shí)，二個(gè)指示燈紅燈與綠燈同時(shí)亮起，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)執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作就沒有反應(yīng)。5）在觸發(fā)端D0與D1、D2之間分別加上控制電壓時(shí)，指示燈紅燈或綠燈亮起，用數(shù)字萬用表測(cè)量繼電器三相輸入端與輸出端的電阻在數(shù)千歐或在40歐姆以上，那么該繼電器模

12、塊性能已不良，這也是造成電機(jī)速度變慢的原因之一，最好不要再使用。6）在觸發(fā)端D0與D1、D2之間分別加上控制電壓時(shí)，指示燈紅燈或綠燈亮起，用數(shù)字萬用表測(cè)量繼電器三相輸入端與輸出端的電阻一值在變化不定，那么該繼電器模塊性能已不良，最好不要再使用。這時(shí)為出現(xiàn)執(zhí)行器電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)或變慢等。7）在觸發(fā)端D0與D1、D2之間分別加上控制電壓時(shí)，指示燈紅燈或綠燈亮起，用數(shù)字萬用表測(cè)量繼電器三相輸入端與輸出端的電阻，如A(B)與a相通時(shí)，A與b也相通，說明該繼電器模塊已壞，不能再使用。這時(shí)執(zhí)行器電源回路就燒保險(xiǎn)絲或跳空氣開關(guān)。8）在執(zhí)行器通電，且不發(fā)指令時(shí)，固態(tài)繼電器開路且前端有電壓時(shí)，輸出端會(huì)有一定的漏電流

13、，但10A以上的SSR漏電流對(duì)50W以上功率的負(fù)載基本無影響，需注意。4 選型時(shí)應(yīng)注意事項(xiàng)1）因?yàn)橛迷陔妱?dòng)執(zhí)行器上，應(yīng)選用在選用選用過零型繼電器，這樣可延長負(fù)載和繼電器壽命，也可減小自身的射頻干擾。2)）各種負(fù)載浪涌特性對(duì)SSR的選擇:許多被控負(fù)載在接通瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電流，由于熱量來不及散發(fā)，很可能使SSR內(nèi)部可控硅損壞，所以用戶在選用繼電器時(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工作較頻繁、壽命以及可靠性要求較高的場(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

14、作可靠，就像執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電動(dòng)門的頻繁開、關(guān)。3）過流、過壓保護(hù)措施: 在繼電器使用時(shí)，因過流和負(fù)載短路會(huì)造成SSR內(nèi)部輸出可控硅永久損壞，可考慮在控制回路中增加快速熔斷器和空氣開關(guān)予以保護(hù)型，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)繼電器元件便會(huì)被電壓擊穿而造成SSR損壞 (選擇繼電器應(yīng)選擇產(chǎn)品輸出保護(hù)，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耐量）；也可在繼電器輸出端并接 RC吸收回路和壓敏電阻(MOV)來實(shí)現(xiàn)輸出保護(hù)。選用原則是220V時(shí)，選用500600V壓敏電阻，380V時(shí)可選用800900V壓敏電阻。4）使用環(huán)境溫度的影響: 固

15、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，在安裝使用過程中，應(yīng)保證其有良好的散熱條件，額定工作電流在10A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)到最佳散熱效果。5）繼電器輸入回路信號(hào):在使用時(shí)因輸入電壓過高或輸入電流過大超出其規(guī)定的額定參數(shù)時(shí)，可考慮在輸入端串接分壓電阻或在輸入端口并接分流電阻，以使輸入信號(hào)不超過其額定參數(shù)值，同時(shí)控制信號(hào)和負(fù)載電源要求穩(wěn)定，波動(dòng)不應(yīng)大于10%，否則應(yīng)采取穩(wěn)壓措施。6）固態(tài)繼電器失效更換時(shí),應(yīng)盡量選用原型號(hào)或技術(shù)參數(shù)完全相同的產(chǎn)品，以便與原應(yīng)用線路匹配，保證系統(tǒng)可靠工作。7）固態(tài)繼電器應(yīng)用于50Hz或6

16、0Hz的工頻電網(wǎng)上，不宜于低頻或高次諧波分量大的場(chǎng)合，否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。8）免電機(jī)換向時(shí)由于電機(jī)的運(yùn)動(dòng)慣性，必須在電機(jī)停穩(wěn)后才能換向，以避免產(chǎn)生類似電機(jī)堵轉(zhuǎn)情況，引起的較大沖擊電壓和電流，因此在執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制回路中除了過壓、過流、溫度保護(hù)外，還有在控制電路上下電時(shí)序，采用先加后斷控制電路電源，后加先斷電機(jī)電源的時(shí)序等，以避免在導(dǎo)通的SSR未關(guān)斷，另一相SSR導(dǎo)通引起的相間短路事故。5 結(jié)束語通過前述，可以看到SSR性能與電磁式繼電器相比有著很多的優(yōu)越性，特別易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)編程控制，實(shí)現(xiàn)方便、靈活的控制。但它也存在一些弱點(diǎn)，如：導(dǎo)通電阻(幾歐姆到幾十歐姆)、通態(tài)壓降(小于2 V)、斷態(tài)漏電流(510mA)等，設(shè)備易發(fā)熱損壞；截止時(shí)存