固态继电器在电动执行器中的应用

摘要：结合大唐乌沙山发电厂电动执行器中采用的固态继电器的使用情况，介绍了交流固态继电器的基本工作原理、实际应用时的测试和故障判断，提出了固态继电器选型时应注意的问题，为调试和维修人员提供借鉴。
关键词：固态；继电器；原理；故障；电动执行器
　　大唐乌沙山发电厂4台超临界600MW机组的脱硫、化学和精处理系统均选用上海自动化仪表股份有限公司生产的AI系列智能型和德国德瑞摩（DREHMO）电动执行器，在这类执行器中均用了固态继电器（SSR）。运行中脱硫系统DREHMO执行器及化学系统的执行机构均发生过拒动、速度偏慢或跳空气开关等故障，而大部分检修人员对固态继电器的性能不是很熟悉，对处理此类问题有一定难度。因此有必要对固态继电器的原理、类型、故障判断及使用作进一步的认识。
1 典型交流固态继电器的工作原理
　　固态继电器（Solid State Relay，SSR）是一种有继电特性的无触点式电子开关。具有寿命长、可靠性高、开关速度快、电磁干扰小、无噪声、无火花等特点。
　　交流固态继电器（过零型）的原理见图1。固态继电器由三部分组成：输入电路、隔离（耦合）和输出电路，在输入电路控制端加入信号后，IC1光电耦合器内光敏三极管呈导通状态，R1串接电阻对输入信号进行限流，以保证光耦合器不致损坏。发光二极管LED指示输入端控制信号，二级管VD1可防止输入信号正负极性接反时对光耦IC1造成的损坏。

　　v1在线路中起到交流电压检测作用，使固态继电器在电压过零时开启、负载电流过零时关断。当IC1光敏三极管截止时（控制端无信号输入时），V1通过R2获得基极电流使之饱和导通，从而使SCR可控硅门极触发电压UGT被箝在低电位而处于关断状态，最终导致BTA双向可控硅在门极控制端R6上无触发脉冲而处于关断状态。
　　当IC1光敏三极管导通时（控制端有信号输入），SCR可控硅的工作状态由交流电压零点检测三极管V1来确定。如电源电压经R2与R3分压，A处电压大于过零电压时（VA>VBE1），V1处饱和导通状态，SCR、BTA可控硅都处于关断状态；如电源电压经R2与R3分压，A处电压小于过零电压时（VA 　　交流过零型固态继电器具有电压过零时开启、负载电流过零时关断的特性。它的最大接通、关断时间是半个电源周期，在负载上可得到一个完整的正弦波形，也相应减少了对负载的冲击。而在相应的控制回路中产生的射频干扰也大大减少。
　　三相固态继电器（SSR）可直接用于三相电机的控制。最简单的方法是采用2只SSR作电机通断控制，4只SSR作电机换相控制，第三相不控制。固态继电器与常规电磁继电器优缺点比较见表1。

2 继电器测试与故障判断
　　以上仪厂使用的固态继电器为例，其外部接线见图2。

　　（1）当触发端DO与D1、D2之间没有加控制电压时，测量输入端电阻，如电阻小于4O Q或大于几千Q时，均说明该继电器控制性能不良，最好不要使用，否则会导致执行器电机转速不稳或变慢等故障。
　　（2）在触发端不加控制电压，用数字万用表测量继电器三相输人端与输出端的电阻，如测得数值在数kQ 以下或电阻很小，或用数字万用表测量继电器输入端与输入端、输出端与输出端及与散热板之间的电阻，测得电阻在数拾MQ或kQ以下，说明继电器已损坏，不能再使用。这时若执行送电操作，执行机构电源回路就会烧保险丝或跳空气开关。
　　（3）如在触发端DO与D1、D2之问加上控制电压，红灯与绿灯二个指示灯同时亮，且输入与输出端之间不导通，那么该继电器模块的触发电路已损坏，不能再使用。这时进行执行机构操作会无反应。
　　（4）在触发端DO与D1、D2之间分别加上控制电压时，指示灯红灯或绿灯亮，用数字万用表测量继电器三相输入端与输出端的电阻在数k 以上，或电阻一直变化不定，说明该继电器模块性能不良，也会造成电机速度变慢、不稳等故障，尽量不要再使用。
　　（5）在执行器通电且不发指令，固态继电器开路且前端有电压时，输出端会有一定的漏电流，但10A以上的SSR漏电流对50w以上功率的负载基本无影响，需注意。
3 选型时应注意事项
　　（1）因电动执行器操作频繁，宜选用过零型继电器，可延长负载和继电器寿命，也可减小自身的射频干扰。
　　（2）许多被控负载在接通瞬间会产生很大的浪涌电流，由于热量来不及散发，很可能使SSR内部可控硅损坏，所以在选用继电器时应对被控负载的浪涌特性进行分析，然后再选择继电器。使继电器在保证稳态工作前提下能够承受这个浪涌电流，选择时可选用0．2的降额系数（常温下）。如所选用的继电器需在动作频繁、寿命及可靠性要求高的场合工作时，则应在0．2的基础上再乘以0．6以确保工作可靠。
　　（3）继电器使用时，因过流和负载短路会造成SSR内部输出可控硅永久损坏，可考虑在控制回路中增加快速熔断器和空气开关予以保护。当加在固态继电器上的电压峰值超过SSR所能承受的最高电压峰值时，固态继电器元件会被电压击穿而造成损坏，因此应选择有输出保护的产品， 内置压敏电阻吸收回路和RC缓冲器可吸收浪涌电压和提高dv／dt承受力；也可在继电器输出端并接RC吸收回路和压敏电阻来实现输出保护。选用原　　则是：220 V时选用500～600 V压敏电阻，380 V时可选用800～900V压敏电阻。（4）固态继电器负载能力受环境温度和自身温升的影响较大，在安装使用过程中，应保证其有良好的散热条件，额定工作电流在10 A以上的产品应配散热器，在安装时应注意继电器底部与散热器的良好接触，并考虑涂适量导热硅脂以达到最佳散热效果。
　　（5）当输入电压或输入电流超出继电器的额定参数时，可考虑在输入端串接分压电阻或并接分流电阻，同时保持控制信号和负载电源稳定，波动不大于10％ ，否则应采取稳压措施。
　　（6）固态继电器适用于50 Hz或60 Hz，不宜用在低频或高次谐波分量大的场合，否则可能由于高次谐波而不能可靠关断。高次谐波还可能导致SSR内部的RC吸收回路因过热而炸裂。
　　（7）在电机换向时，为避免产生类似电机堵转时引起的较大冲击电压和电流，在执行机构控制回路中除了过压、过流、温度保护外，应采用先加后断控制电路电源、后加先断电机电源的时序， 以避免在导通的SSR未关断时另一相SSR导通引起相间短路。
4 结束语
　　SSR与电磁式继电器相比有诸多的优越性，特别易于实现计算机编程控制，控制方便、灵活。但也存在一些弱点，如：易发热损坏；关断时存在漏电阻，不能使电路完全分开；易受温度和辐射的影响，稳定性差；灵敏度高，易产生误动作等。因此须谨慎使用，方能发挥其性能，确保SSR无故障工作。