PDF《三相固态继电器》

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210 1590 - E-mail: sales@crydom.com www.crydom.com 三相固态继电器 及其在三相加热电路中的应用 快达资深工程师 Paul Bachman 快达 FSAE 经理 Doug Sherman 快达研发经理 Oscar Montero 博士 摘要 自1970 年单相固态继电器推出不久,三相固态 继电器(SSR)也被正式投入市场.首批产品采用 整体封装,包括三个独立的固态继电器和一个 普通的输入连接.这一基本设计理念在很大程 度上一直被延续至今.虽然单相和三相继电器 在功能上非常相似,但它们在应用上却有很大 差别.这主要是由于三相电源电路的特点、属性、以及三相负载需求而决定的. 对于加热控制应用系统,选择合适的三相固态 继电器不仅取决于对三相固态继电器的全面了 解,同样也需要对三相电力系统及典型负载有 充分的理解.该论文包括三相电力系统概述、 普通三相电机负载的特点、以及三相固态继电 器和负载应用的全面分析和论述. Crydom Inc.

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210 1590 - E-mail: sales@crydom.com www.crydom.com 引言 固态继电器被广泛应用于各种电力负载开关系统,包括专业烹饪设备、塑料机械、包装机械、照 明系统、医疗设备、实验室烘箱、饮料分配设备、暖通与空调系统,以及许多其它工业或商业应 用工程.然而,绝大多数负载应用可分为两个主要类别:加热和运动控制.显然,这并不是固态 继电器的所有应用范围,如照明和配电系统.但是,就一般三相负载类型而言,大多数固态继电 器设计工程师主要采用两种三相负载类型.本文将重点讨论供热负载,而我们在配套论文中主要 讨论电机负载. 虽然不同的应用会有不同的要求,但以上两个主要应用有助于我们概括的论述固态继电器的应用 特点及其开关性能.此外,为了满足最严苛的商业和工业需求,三相负载网络也被更高动力系统 广泛采用. 三相固态继电器的定义和描述 如上所述,三相固态继电器基本上是由三个独立的单相固态继电器,采用整体封装,并由一个输 入接线端子通电.对于工程师来说,以传统的方式用三个独立的固态继电器将电源由单相转换成 三相负载是很常见的.但这种传统的换相方式出于某种原因已经不能满足用户的需求,因此,更 简单方便的解决方案是用三相固态继电器来完成电源转换功能.这种更新的技术既简化了布线又 减少了面板的整体空间要求. 无论是单相或三相,固态继电器的主要优越性是:较少的执行启动和停止命令,无电弧、触点抖 动或噪声,高速开关,使用寿命长,低输入控制电源要求,零电流关断在切换感性负载时可以大 幅度减小瞬时干扰,零电压导通可以减小浪涌电流及其带来的瞬时干扰. 类似于机电继电器、接触器、三相水银继电器或接触器,三相固态继电器也适用于控制三相交流 负载.就三相电阻加热应用而言,过零型三相固态继电器最常用.这种机型可在每相零电压交叉 点切换电源负载,以减少浪涌电流;

而随机开启型固态继电器适用于切换感性负载,同时可将单 相转换成三相,如马达、压缩机或变压器等.所有交流输出固态继电器(不包括带有 FET 或IGBT 的特殊版本),无论是零压或随机开启,都将在零电流时关闭,以减少因磁场感应造成的 负载瞬变. 固态继电器的三相应用注意事项包括:固态继电器内输出功率半导体的热功损耗,往往需要外部 散热片来维持允许的操作温度;

电源线或开关电器产生的瞬态无功负载,有可能需要额外的瞬变 保护,但选择零压或非零压导通取决于负载类型. Crydom Inc.

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210 1590 - E-mail: sales@crydom.com www.crydom.com 三相电源系统 三相电源是世界上最常见的电源分配方式.图1描述了由三个电压波形组成的三相电源系统.三 个波形分别代表三个具有转换电流的导体,在相同频率下任何两相之间的位移角度是 120?(不同 时间的瞬时峰值).三相电源通常用于驱动大型电机或其他高功率负载,并具有相当于单相或两 相系统的优越性,如下所述: ? 三相电源可提供最稳定的电流和功率.任何情况下,总有至少两相提供电源负载,而单相 电源系统在每半个周期内都有极短时间没有功率传递. ? 三相系统往往更为经济.与单相或双相系统相比,既可减少导体材料的使用,又可提供相 同的功率. ? 中线导体可用更少的材料或在负载均衡的情况下由于相电流彼此抵消而完全放弃.在不用 中线的情况下,仍然可以通过控制三相电源中的两相来控制负载,从而减少了固态继电器 或接触器的个数. ? 对于线性和平衡负载,功率传递恒定.与等效马力的单相电机相比,减少了三相电机的振 动. ? 三相系统可产生单向磁场,有助于简化电机设计,并可用交换任何两相负载的方式来方便 地改变电机转动方向. 图1三相正弦波 Crydom Inc.

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210 1590 - E-mail: sales@crydom.com www.crydom.com 三相电阻加热负载 三相加热负载由

3 个加热元件组成,并采用三角形(加热元件终端到终端连接)或星形(加热元 件连接到一个公共点)的电路配置方式.图2具体说明了这两种电路的配置.加热元件本身通常 带有螺旋缠扰式镍铬丝,并且外部护有氧化镁作为电介质的绝缘金属.电线的直径和长度决定着 其阻性和加热器的额定功率.镍铬丝的优点是热阻系数非常低,这意味着电阻值受温度影响微乎 其微,从而可以避免低温浪涌电流的干扰. 图2三相 三角形 和 星形 连接负载 三相加热器一般采用元件组合形式,其综合电压由各独立元件组成.为了操作加热器,每相线必 须由一个开关、继电器或接触器来控制.此外,加热器的额定功率和工作电压是选择适当额定控 制(包括继电器)的首要条件;

线电流可计算如下. 对于三相加热系统,平衡三相加热器中产生的功率为: P = √3 x VL x IL (1) P 是功率,VL 是线电压,IL 是线电流. Crydom Inc.

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210 1590 - E-mail: sales@crydom.com www.crydom.com 因此,三相加热器负载中的线电流可以计算如下: IL = P/ (√3 x VL) (2) 作为参考,单相电阻加热元件中产生的电功率等于电路电压与电流的乘积.如公式(3)所示: P = VL x IL (3) 因此,对于一个控制单相加热元件的 SSR,其线电流可以计算为: IL = P/ VL (4) 比较每相线电流计算公式(2)和(4),假设 P 等于单相和三相加热器的额定功率,三相系统中 的每相线电流将会比单相系统中的低:即相当于(1/√3) x IL 或大约 58%的单相电流.注:三相系 统的每相线具有等量的线电流. 三相加热器线电流计算举例 对于三角形配置的加热器负载,其总功率等于三个独立加热元件的功率总和.因此,配置中的三 个独立元件(480VAC、5kW)总功率将是 15kW.其线电流将计算如下: I 线=加热器总功率 √3(V 线) I 线=15,000 Watts (1.73)(480) I 线=18 Amps Crydom Inc.

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210 1590 - E-mail: sales@crydom.com www.crydom.com 注:以上计算是根据切换三角形电路 外部 接线而论.这种三角形电路是最为常见的配置方式 之一,但是,如果将 SSR 安装在三角形电路的 内部 ,通过每个 SSR 的 相电流 可计算为: I 相=I线/√3 (5) 以上例中,每个固态继电器的相电流为 10.4 安培,相当于线电流,小了 43%. 对于星形配置,与采用相同功率加热元件的三角形配置相比,其总功率可计算如下: W 星形 = ?W 三角形 (6) 因此,星形配置中的三个 5kW 加热元件总功率为 5kW,但线电流的计算将与三角形配置相同: I 线=加热器总功率 √3(V 线) I 线=5,000 Watts (1.73)(480) I 线=6Amps 因此,上例中对于三个 5kW/480VAC 的加热元件,一个安装在三角形电路 外部 的SSR 至少可 控制每相

18 安培的电流,或者一个安装在同样电路 内部 的SSR 至少可控制每相

10 安培的电 流;

而对于一个安装在星形电路的 SSR,其可控电流至少每相

6 安培. Crydom Inc.

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210 1590 - E-mail: sales@crydom.com www.crydom.com 注:对于大多数加热器的浪涌电流而言,由于加热元件本身的材料(镍铬),这种电流一般可以 被忽略.因此继电器的选择可以只根据连续电流值而定. 三相加热器制造商为达到适合三角形或星形配置的合适功率,非常顾及加热元件的电阻值.如果 把一个适合星形配置的三相加热器装入三角形电路,将导致更高的线电流/功率,并可能损坏加热 器和控制系统. 为三相阻性负载的应用选择固态继电器 电阻加热控制是目前最常见的固态继电器应用领域.这种控制通常不需要考虑在电机应用中要考 虑的浪涌和过载的问题,所以大部分应用可以很合理的直接选择固态继电器. 三相负载需要

3 个交流输出固态开关(或通道)控制其负荷,为此我们可以通过使用

3 个单通道 或一个三相固态继电器来实现操作.在这两种情况下,信号控制或输入均以同样的接线方式使每 个开关/通道在同一时间启动. 注:对于三相三角形连接负载或星形无中线连接负载,只控制三相电源的

2 个端子可以减少控制 负载的 SSR 通道数量(从而节省成本).当2个端子断开时,由于无电流通过,所以第三个端子 可以连接到加热器上.但是,我们在确定配置以前应该考虑地方电力法规和安全机构是否允许这 种配置. 采用固态继电器控制三相加热负载的主要优点包括: ? 继电器内部全固态结构可消除机械疲劳. ? 接触少,无电弧,静音操作. ? 高速开关可实现精确的温度控制. ? 逻辑兼容低功耗输入控制. ? 零压启动可消除浪涌电流和由此产生的瞬变. ? 零电流停止可消除瞬变. ? 与机电继电器或接触器相比,寿命极长. ?

4000 VAC 电隔离从输入到输出. 为三相电阻负载选择合适固态继电器的一般过程标准如下: ? 负载额定功率单位 KW. ? 额定交流电压. ? 工作环境温度适合 SSR. ? 采用

3 个独立加热单元的布线方式. Crydom Inc.

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210 1590 - E-mail: sales@crydom.com www.crydom.com 对于大多数电阻负载,通常的做法是假设负载的功率因数(cosΘ)= 1;

但更严谨的做法是附加 20%的安全幅度,以便考虑到线路、负载和操作的差........