三相固態繼電器及其在三相電機電路中的應用
發布者:admin 點擊:2214 發表時間:2014-3-7

摘要

自 1970年單相固態繼電器推出不久,三相固態繼電器(SSR)也被正式投入市場。首批產品采用整體封裝,包括三個獨立的固態繼電器和一個普通的輸入連接。這一基本設計理念在很大程度上一直被延續至今。雖然單相和三相繼電器在功能上非常相似,但它們在應用上卻有很大差別。這主要是由于三相電源電路的特點和屬性、三相負載需求、特別是電感性負載需求而決定的。

對于電機控制應用系統,選擇適當的三相固態繼電器不僅取決于對三相固態繼電器的全面了解,而且需要對三相電力系統及典型負載有充分的理解。該論文包括三相電力系統概述、普通三相電機負載的特點、以及三相固態繼電器和負載應用的 全面分析和論述。

三相固態繼電器及其在三相電機電路中的應用 - 固態繼電器 - 固態繼電器

引言

固態繼電器被廣泛應用于各種電力負載開關系統,包括專業烹飪設備、塑料機械、包裝機械、照明系統、醫療設備、實驗室烘箱、飲料分配設備、暖通與空調系統、以及許多其它工業或商業應用工程。然而,絕大多數負載應用可分為兩個主要類別:加熱和運動控制。顯然,這并不是固態繼電器的所有應用范圍,如照明和配電系統。但是,就一般三相負載類型而言,大多數固態繼電器設計工程師主要采用兩種三相負載類型,如圖 1所示。本文將重點討論電機負載,而我們在配套論文中主要討論供熱負載。

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雖然不同的應用會有不同的要求,但以上兩個主要應用有助于我們概括的論述固態繼電器的應用特點及其開關性能。此外,為了滿足最嚴苛的商業和工業需求,三相負載網絡也被更高動力系統廣泛采用。

三相固態繼電器的定義和描述

如上所述,三相固態繼電器基本上是由三個獨立的單相固態繼電器,采用整體封裝,并由一個輸入接線端子通電。對于工程師來說,以傳統的方式用三個獨立的固態繼電器將電源由單相轉換成三相負載是很常見的。但這種傳統的換相方式出于某種原因已經不能滿足用戶的需求,因此,更簡單方便的解決方案是用三相固態繼電器來完成電源轉換功能。這種更新的技術既簡化了布線又減少了面板的整體空間要求。

無論是單相或三相,固態繼電器的主要優越性是:較少的執行啟動和停止命令,無電弧、觸點抖動或噪聲,高速開關,使用壽命長,低輸入控制電源要求,零電流關斷在切換感性負載時可以大幅度減小瞬時干擾,零電壓導通可以減小浪涌電流及其帶來的瞬時干擾。

類似于機電繼電器、接觸器、三相水銀繼電器或接觸器,三相固態繼電器也適用于控制三相交流負載。就三相電阻加熱應用而言,過零型三相固態繼電器最常用。這種機型可在每相零電壓交叉點切換電源負載,以減少浪涌電流;而隨機開啟型固態繼電器適用于切換感性負載,同時可將單相轉換成三相,如馬達、壓縮機或變壓器等。所有交流輸出固態繼電器(不包括帶有 FET 或IGBT 的特殊版本),無論是零壓或隨機開啟,都將在零電流時關閉,以減少因磁場感應造成的負載瞬變。

固態繼電器的三相應用注意事項包括:固態繼電器內輸出功率半導體的熱功損耗,往往需要外部散熱片來維持允許的操作溫度;電源線或開關電器產生的瞬態無功負載,有可能需要額外的瞬變?;?,但選擇零壓或非零壓導通取決于負載類型。

三相電源系統

三相電源是世界上最常見的電源分配方式。圖 2 描述了由三個電壓波形組成的三相電源系統。三

個波形分別代表三個具有轉換電流的導體,在相同頻率下任何兩相之間的位移角度是 120?(在不同時間的瞬時峰值)。三相電源通常用于驅動大型電機或其它高功率負載,并具有相當于單相或兩相系統的優越性,如下所述:

1、三相電源可提供最穩定的電流和功率。任何情況下,總有至少兩相提供電源負載,而單相電源系統在每半個周期內都有極短時間沒有功率傳遞。

2、三相系統往往更為經濟。與單相或雙相系統相比,既可減少導體材料的使用,又可提供相同的功率。

3、中線導體可用更少的材料或在負載均衡的情況下由于相電流彼此抵消而完全放棄。在不用中線的情況下,仍然可以通過控制三相電源中的兩相來控制負載,從而減少了固態繼電器或接觸器的個數。

4、對于線性和平衡負載,功率傳遞恒定。與等效馬力的單相電機相比,減少了三相電機的振動。

5、三相系統可產生單向磁場,有助于簡化電機設計,并可用交換任何兩相負載的方式來方便地改變電機轉動方向。

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三相異步電機負載

三相異步電機有三個獨立的線圈,通常以星形或三角形連接方式接線,如三相加熱器;其中星形配置既常見又多為選用(圖 3)。對于線圈的設計和放置,已歷經多次電機改革。主要利用三個穿插磁場對轉子產生轉動力矩,使其轉動。這種設計與等效單相電機相比,具有更多的機械力更少的相電流。由于線圈之間相隔 120°,其起動轉矩更大,振動也明顯低于單相電機,而且通常情況下,無需為高慣性或壓縮機負載使用啟動電容來提供額外電流。

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三相異步電機的設計簡單、效率高、體積小、經濟實惠,比單相電機更耐用。因此,適合許多工業應用程序,如泵、壓縮機、閥門、輸送機、及許多其他電機驅動系統。

下列公式適于三相電機:

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因此在指定最大HP下,三相電機運行時的每相線電流或“FLA”(滿載電流)可計算為:

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當已知電機的額定功率負載時,每相線電流或 FLA可計算如下:

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同樣,當已知電機的額定電壓負載時,每相線電流或 FLA可計算如下:

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電機堵轉電流(ILRA)的計算方法如下:

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KVA/HP 是電機從同步轉速(RMP)調低至實際轉速(RMP)的百分比,其計算值見下表 1;VR

是電機的額定工作交流電壓。如果實際運行線電壓不同,轉子堵轉電流也會有所不同

(ILRA x(VL/VR ))。

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注: 公式 (1)、 (2)、 (3)、 (4)、 (5) 及 表1由 Baldor Electric公司提供。

顯而易見,電機傳遞的實際 HP 值取決于終端線電壓(VL)。此外,電機線電流(IL)以及連接到電機軸上的實際機械負載也取決于 VL。對于線電流IL,認識到以下幾點是很重要的:

●電機在起動操作過程中:IL達到最高值,電機試圖克服主要由機械負荷施加的機械慣性。如圖 4 所示,在短暫條件下,其情形由機械負載的性質而定,并可能持續幾個周期或幾秒。這個電流也被稱為堵轉電流ILRA ,其計算如公式(5)所示。

●電機在穩態運行過程中:電流 IL由于電機的加速而下降,直到穩定在某個操作值,其值會與HP 傳遞的負載相匹配。此外,最高值IL與電機額定電流或滿載電流 FLA相對應。

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因此,通過電機負載的電流可以有如下組合:

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特別注意的是,由于阻性負載,I瞬態是可以忽略的。因此,I負載 也可被近似地認為是I穩態 。但就電機負載而言, I 瞬態可被認為等同于堵轉電流(LRA);而 I 穩態可被視為等同于滿載電流 (FLA).

LRA 值可在幾秒鐘之內達到 FLA值的 5至 7 倍,但這要根據電機和應用的類型而定。

三相異步電機線電流計算范例

三相異步電機具有 5 HP、440 VAC, 效率 85% ,功率因數 0.7,其轉差率代碼為 E,運行環境溫度為 40 ° C,滿負荷和每相堵轉線電流的計算如下:

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對于堵轉線電流, 從低到高電流值的計算如下:

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以上計算分析, 每相堵轉電流介于 29.5A至 32.8A。

有關固態繼電器的安全應用標準

固態繼電器由于應用需求的不同,可能會被生產廠商定為不同級別。最常見的等級類別涉及到電阻負載和電機負載的應用。這兩個級別之間的主要區別是:對于電機應用,固態繼電器的性能必須同時可以處理LRA 和 FLA。下表(表 2)總結出了三種最常見的 SSR對電機應用的標準。

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表 2所示,開關控制電機負載能夠處理負載電流,如 LRA。一個給定的固態繼電器會有不同的取決于電阻負載或電機負載的額定電流。從本質上講,固態繼電器的額定電阻負載降額時,適用于電機負載。例如,一個固態繼電器雖然可以具有 50A的阻性電流,但在電機控制應用中,也可被定為 17A。

固態繼電器的三相異步電機應用

傳統而言,最常見的能將電源轉換成異步電機的設備是機電繼電器和接觸器。但是,由于用戶對提高能/可靠性需求的增加,固態繼電器也隨之被應用在越來越多的領域中。對于阻性負載控制,三個獨立的固態繼電器、一個三相固態繼電器、或兩個需要代碼許可的固態繼電器(或一個雙相固態繼電器)均可完成。

固態繼電器三相異步電機的主要優點如下

? 全固態結構消除內部機械疲勞

? 接觸少,電弧免噪聲操作

? 高速開關可實現精確控制

? 邏輯兼容控制輸入功率低

? 電子“交直流線圈”,消除EMR接觸

? 零電流負載關閉消除瞬變

? 使用壽命比機械繼電器或接觸器長

? 輸入和輸出隔離4000 VAC

? 符合RoHS標準

電機啟動/停止的應用

大多數應用采用三相電機,僅僅需要電機的啟動和停止,如圖 5 所示。例如,工業風扇通常單向運行流通空氣,只需要啟動和停止操作。壓縮機是另外一個三相負載的例子,電機只需一個能夠接到三相交流供電電路的連接來使其進行正常操作。這些應用通常需要一個簡單的三相固態繼電器、接觸器或起動器,來轉換合適的電源負載,并且通過輸入控制信號同時連接三個電機繞組。

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異步電機負載的功率因數可以相當低(小于0.6),使其能夠在每相電壓和電流之間轉換(相電流滯后于相電壓)。過零固態繼電器通常不具備這種應用,只有當交流正弦波接近零交叉點時,繼電器才能啟動。三相交流系統的每相相位(相對于其它兩相)通常為 120°;也就是說,零壓固態繼電器的每相只能按順序啟動,而不能按需同時啟動。此外,由于相位移動與異步電機有關,在線電壓超過前行過零窗口之前,繼電器由于沒有足夠的閉鎖電流通過輸出可控硅而有可能無法啟動。在某些情況下,繼電器可能會操作不正常、半波或只能為電機的一相或兩相供電。

因此,隨機啟動(有時也稱為“瞬間“或”異步“啟動)型固態繼電器是生產廠商的推薦產品。隨機啟動型繼電器可以在信號輸入 100us 之內轉換電源負載,無需考慮交流正弦波的電壓振幅。而且,

所有三相可同時啟動運行;電流和電壓之間的相位變化也不會影響固態繼電器的啟動性能。

當電機負載指定使用固態繼電器時,其負載電流瞬變條件必須需要考慮。這主要取決于電機的大

小、加在電機本身的負載、以及浪涌電流等相關因素。當電機首次通電后,其浪涌電流會比正常工作電流高 5 至 7 倍。如此重載電流最終可能會像電機堵轉電流(LRA)一樣經過幾個交流周期逐步減少到滿負荷電流(FLA)值,同時電機也會開始旋轉(見上頁圖 4)。但是繼電器的大小必須適當,以防止它們因啟動而被損壞。此外,在一定條件下,我們應該避免電機線電流等于或大于堵轉電流(LRA)。因此,繼電器和電機還需要受到過電流?;?。

電壓瞬變?;ざ怨燙痰縉骼此狄彩且桓霰匭肟悸塹囊蛩?。當電機與相同或相鄰的電路進行負載

切換時,幾乎所有交流電源進行或多或少的瞬變。這些瞬變會很容易導致幾千伏的電壓,同時損害連接在相關線路上的固態繼電器。為強調可靠性和安全性,建議為所有控制三相異步電機的固態繼電器提供瞬態?;?,而且這種?;た稍詮燙痰縉髂諭獠客苯?。最常見的應用設備 MOVs具有良好的功率耗散額定值,但對于快瞬變反應不夠快。雖然雙向 TVS 二極管的耗散能力低于MOVs,但可為快速瞬變提供良好的回應性能。

電機換向的應用

太陽跟蹤系統利用電機重新定位太陽能電池板來跟蹤太陽全天在天空中的路徑。此應用中,電機不僅需要反復啟動和停止,還要能夠反向旋轉回到原來的位置,以便第二天早晨重新迎接太陽。這要求其控制系統不僅可以控制電機,而且可以在需要時反轉。

以上圖 5 展示了一個用接觸器來控制三相電機的簡單接線圖。當電機通電后,三相交流電被切換

到電機上,使電機開始轉動。電機將在持續通電的情況下以恒定的速度同向旋轉。但是,如果交流電源中連接到接觸器的任何兩相互換(例如接線 L1 和電機二號接口,接線 L2 和電機一號接口),當電機重新通電后,其旋轉方向將會相反。

顯然,電機旋轉方向隨接線方式而改變是不切實際的。我們需要用控制器來自動控制和完成電機

換向。傳統的解決方式是采用分立元件、多個機械繼電器、或者三相電機換向接觸器來完成。與任何機電設備相比,機械解決方案具有相同的缺點。其中,最重要的缺點是預期壽命,尤其是電機為實現一個特定位置而多次“振動“或”移動“。

對于機械接觸問題,我們的解決方案之一是利用多種單相固態繼電器。如圖 6 所示,交流電源 L1 與電機直接連接;SSR1 和 SSR3 通過L2 或 L3 連接到電機的第二個接口;SSR2 和 SSR4 通過 L2 或 L3 連接到電機的第三個接口。當 SSR1 和SSR2 通電時,電機就會單向旋轉;當 SSR1 和 SSR2 斷電,而 SSR3 和SSR4 通電時, 電機就會反轉;同時還有效地交換了 L2 和 L3 與電機引線的連接。

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6:四個固態繼電器電機換向電路及電機與第三相的接線圖

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注:多個固態繼電器電機換向應用指要如下:

1)就應用需求而言,電機換向的機械化應用雖然很廣泛,但其電氣化應用仍然存在著影響簡單開啟和停止的問題,與前面提到的異步電機情況相同。

2)系統控制固態繼電器必須有一個互鎖電路,以防止同時開啟“正向“和”反向“繼電器。否則,將會導致繼電器相位短路,結果會不堪設想。

3)內部具有過壓?;さ募痰縉韃皇視糜詰緇幌?。當其受到電瞬變時,內部 TVS 可能會切換到固態繼電器的輸出,從而形成相短路。金屬氧化物壓敏電阻(MOV)可能會被安裝在固態繼電器輸出端以防止電瞬變。

4)第五個固態繼電器可按應用所需開啟電機的第三相。雖然無須將其列入以上聯鎖電路,但這個SSR必須與“正向”或“反向”繼電器同時通電,以防止電機因為只有兩相通電而造成的損壞。

另外一種電機換向應用的首選解決方案是利用電機換向型固態繼電器。這種型號的固態繼電器具

有兩種顯著優點:1)四個固態繼電器按行業標準采用整體封裝,減少了線連接。2)固態繼電器

帶有互鎖電路。

正如圖 7 所示,電源的兩相負載通過一個電機換向型固態繼電器間接地與電機相連,同時第三相直接接入電機。當邏輯信號傳到“正向”控制終端,SSR L1 L2 直接接入電機;當信號從“正向”控制終端轉移到“反向“控制終端時,SSR 將轉換L1 L2 的連接,使電機反轉。如果邏輯信號同時傳到“正向“和”反向“控制終端,SSR將關閉或保持關閉狀態。

如果換向型固態繼電器不包括外部 MOV,MOV 可被加到電路中以提供額外的過壓?;?。圖 7 中,換向型 SSR 4 個獨立的輸出電路向電機提供換向功能,因此需要 4 MOV(不論它們是外在的或已被裝入繼電器)。此外,任何電路必須能夠適當的切斷交流電。

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圖 7:電機換向型固態繼電器簡化接線圖

為三相異步電機的應用選擇固態繼電器

為三相異步電機應用選擇固態繼電器需知如下:

? ●電機電源單位為HP、 watts 或 KVA

? ●交流三相額定電壓供電

? ●固態繼電器的操作環境溫度

? ●操作模式:啟動、停止或逆轉

就大多數電機負載而言,如果電機的功率因數未知,我們通??梢約俁ㄆ涓涸毓β室蚴╟osΘ)≤0.85。另一種更嚴謹的做法是附加20%的安全限度,以便考慮到線路、負載和操作的差異。

如果電機功率因數已經確定,以下任一過程均可用來確定 SSR 的負載,并按其負載選擇合適的模型:

A) 最直接的方法是協調 SSR 的馬力/額定電壓與電機馬力/操作額定電壓。這種做法除涉及到安裝、散熱和SSR 控制電壓選擇以外,幾乎避免了選擇過程中瞬態電流的計算。

B) 計算電機在最壞情況下啟動和運行的線電流值,然后根據輸出電流和電壓的負載,選擇合適的固態繼電器。在這種情況下,上文所提到的計算公式可能會被選用。

3列出了多種典型三相SSR和 UL認證的 HP負載、 FLA 電流負載、以及適用于三相電機啟動、停止和換向的SSR。

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表 3:快達三相固態繼電器 UL電機控制器負載

表 4 列出了多種典型單相 SSR 和 UL 認證的 HP 負載、FLA 電流負載、以及適用于三相電機啟動、

停止和換向的SSR。

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表 4:快達單相固態繼電器 UL電機控制器負載

上文提到的范例中,具有 5HP 440VAC 的三相電機,線電流為 8.2A,額外安全限度為 20%,建議SSR 負載為每相或每通道 9.8A。以三相固態繼電器為例,用以上方法(A)和表 3,其匹配 SSR 和

換向型 SSR大于[email protected]大于440VAC。值得注意的是,每種實際情況下的FLA 電流值會高于以上的計

算結果 9.8A。以單相 SSR 為例的表 4,列出了幾種可能的匹配。同樣,每個 FLA 的額定電流高于

9.8A,所以具有同一數據組的3 相或4 相換向應用SSR 可用來控制 3相電機負載。

固態繼電器功耗的顧慮

固態繼電器一旦根據HP和FLA確定了最低的應用輸出負載,其功率消耗和環境溫度將會按照所需效果而定。

大多數交流輸出固態繼電器的平均通態正向電壓降介于 1.0 和 1.2V 之間。這一電壓降將使 1 至

1.2 watts 的能量消散到周圍空氣中。散熱片的散熱是最常見的功耗例證。如果散熱片作為一個配件來購買,我們可以直接將其安裝在散熱片上,或者作為固態繼電器本身使用。

以上同一范例,假設固態繼電器的平均正向電壓降為 1.1V,三相固態繼電器電路的總功耗將計算

如下:

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因此,無論固態繼電器是否具有內部或外部散熱片,32.5 watts 的能量將不得不消散到周圍空氣

中。

注:在同容量的電機換向應用中,因為只有 2 個(不是 3 個)固態繼電器同時運行,所以只有

67%的啟動/停止操作用來計算 SSR 的總功耗。同樣,對于三相應用而言,只有 2 條線路被 2 個單

相或1個雙向輸出SSR所切換

選擇帶有整體散熱片的三相固態繼電器

帶有整體散熱片的固態繼電器是用戶最簡單實用的選擇,因為大部分熱計算已經被考慮在負載內。圖 顯示了一個典型的帶有整體散熱片的 SSR 輸出電流負載與環境溫度變化曲線圖。在上述計算中,異步電機每相線電流和三相總電流分別為 9.8A 和 29.4A;由圖 8 可知,SSR 的允許環境溫度可高達 80°C。而實際應用中,一旦SSR的周圍環境溫度超過80°C,用戶應該選用具有較高負載的固態繼電器/散熱片組裝。

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圖 8:帶有整體散熱片的固態繼電器總輸出負載電流與環境溫度曲線圖

帶有整體散熱片的三相固態繼電器備有 DIN 導軌安裝和面板安裝兩種型號。這種情況下,選擇過

程是相同的,其線電流必須按照線電壓和操作環境溫度而定。一旦線電流被確定,產品規格的檢驗及輸出電流與環境溫度的分析將變得相當簡單。

以上應用實例中,如果異步電機具有5HP,每相線電壓為 9.8A, 我們必須選用每通道額定電流

為10A,FLA,的固態繼電器。然而,衡量 SSR和散熱片是否能夠在 40 ° C 環境溫度下正常運作是選擇SSR的重要方式之一。

圖 8 中的曲線圖顯示了 SSR 在環境溫度 40° C 下雖然容易操作,但如果應用環境高于 80 ° C,帶有較高輸出功率和相對環境溫度的SSR 必須被選用(例如每相 25A的 SSR)。

為三相電機負載選擇快達 DIN 導軌安裝或面板安裝固態繼電器時,以下表 5 列出了兩種可能的選項。

? ●一個 CTRD6025R DIN 導軌安裝固態繼電器

? ●一個 HS053-D53TP25D-10 面板安裝固態繼電器/散熱片組裝

注: 以上零件號碼僅作范例??齏錕梢蘊峁┐罅康木哂瀉鮮矢涸氐墓燙痰縉?。

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表 5:采用帶有整體散熱片的 DIN導軌安裝或面板安裝SSR實現三相異步電機負載控制

選擇帶有獨立外部散熱片的三相固態繼電器

在這種情況下,固態繼電器和散熱片是相對獨立的,所以確定散熱片所需的最低負載值以維持一個適合 SSR 的安全工作溫度是非常必要的。包括快達白皮書在內的技術論文詳細描述了這一過程,而且快達還在自己的網站上為用戶方便提供了一個簡單的散熱片選擇工具。

通常大多數交流輸出固態繼電器的內部最大允許工作溫度是125 ° C 或更低,因此,由于負載電流、工作環境溫度和熱阻抗的不同,而導致的功率消耗對 SSR 的選擇起著決定作用。

對于一個給定的應用程序,最低散熱片負載(RΘHS) ,以°C /watt為單位,可計算如下:

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注: 熱介面材料被放置在SSR和散熱片之間的安裝面上,以補償任何由于表面的不規則性而可能增加或減少的熱阻抗。根據組成和厚度,這些材料的熱阻抗一般介于 0.03和0.1°C/W。

以上應用范例中,每相線電流為 9.8A 的 5HP 異步電機和每通道負載為 10A 的三相固態繼電器,

其運行環境溫度為 40 °C,且具有 0.25 °C/W 的 RΘSSR 。如果用公式(8), 散熱片的最低負載可

計算如下:

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圖 9 代表了一個典型的三相面板安裝固態繼電器熱降額曲線圖,并說明了電機每相允許負載輸出

功率與多種散熱片負載環境溫度的關系。

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圖 9:三相固態繼電器每相負載輸出功率與環境溫度曲線圖

根據以上范例計算和 SSR 的選擇,規定散熱片負載至少 2.3 ° C / W。更有效的散熱片應該具有

數值較低的熱阻抗,并且能夠利用降低 SSR的工作溫//blog.163.com/jetssr/度來提高可靠性和延長使用壽命。

為三相電機負載選擇快達面板安裝固態繼電器時,以下表 6列出了三種可能的選項。

下列選項被認為適用于應用范例:

? ●一個 D53TP10D-10 三相固態繼電器 + HS103

? ●三個 CWD4810-10 單項固態繼電器 + HS103

? ●一個 CC4825D2VR 雙相固態繼電器 + HS201

注: 以上零件號碼僅作范例??齏錕梢蘊峁┐罅康木哂瀉鮮矢涸氐墓燙痰縉?。

一旦固態繼電器被選用,下一步是使用散熱片選擇工具來完成固態繼電器和散熱片的組裝。

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表 6:采用面板安裝 SSR和外部散熱片實現三相異步電機負載控制總結

固態繼電器,無論單相或三相,都是三相異步電機控制的理想之選。為任何特定應用正確選擇固態繼電器需要具備有關電機額定功率、工作電壓、環境溫度和接線配置/功能的知識。固態繼電器適合于各種操作條件,最高負載可達 600 VAC,每相電流小于50A,且具有面板或 DIN導軌安裝配置。合適的散熱片應該能夠確保固態繼電器的正常操作。此外,除 SSR 產品本身以外,快達為用戶配備了一應俱全的技術信息資料。

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