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三相固态继电器及其在三相电机电路中的应用
发布者:admin 点击:1552 发表时间:2014-3-7

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和属性、三相负载需求、特别是电感性负载需求而决定的。

对于电机控制应用系统,选择适当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,而且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。

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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,如图 1所示。本文将重点讨论电机负载,而我们在配套论文中主要讨论供热负载。

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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。

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 2 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?(在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它高功率负载,并具有相当于单相或两相系统的优越性,如下所述:

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

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三相异步电机负载

三相异步电机有三个独立的线圈,通常以星形或三角形连接方式接线,如三相加热器;其中星形配置既常见又多为选用(图 3)。对于线圈的设计和放置,已历经多次电机改革。主要利用三个穿插磁场对转子产生转动力矩,使其转动。这种设计与等效单相电机相比,具有更多的机械力更少的相电流。由于线圈之间相隔 120°,其起动转矩更大,振动也明显低于单相电机,而且通常情况下,无需为高惯性或压缩机负载使用启动电容来提供额外电流。

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三相异步电机的设计简单、效率高、体积小、经济实惠,比单相电机更耐用。因此,适合许多工业应用程序,如泵、压缩机、阀门、输送机、及许多其他电机驱动系统。

下列公式适于三相电机:

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因此在指定最大HP下,三相电机运行时的每相线电流或“FLA”(满载电流)可计算为:

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当已知电机的额定功率负载时,每相线电流或 FLA可计算如下:

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同样,当已知电机的额定电压负载时,每相线电流或 FLA可计算如下:

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电机堵转电流(ILRA)的计算方法如下:

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KVA/HP 是电机从同步转速(RMP)调低至实际转速(RMP)的百分比,其计算值见下表 1;VR

是电机的额定工作交流电压。如果实际运行线电压不同,转子堵转电流也会有所不同

(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。

显而易见,电机传递的实际 HP 值取决于终端线电压(VL)。此外,电机线电流(IL)以及连接到电机轴上的实际机械负载也取决于 VL。对于线电流IL,认识到以下几点是很重要的:

●电机在起动操作过程中:IL达到最高值,电机试图克服主要由机械负荷施加的机械惯性。如图 4 所示,在短暂条件下,其情形由机械负载的性质而定,并可能持续几个周期或几秒。这个电流也被称为堵转电流ILRA ,其计算如公式(5)所示。

●电机在稳态运行过程中:电流 IL由于电机的加速而下降,直到稳定在某个操作值,其值会与HP 传递的负载相匹配。此外,最高值IL与电机额定电流或满载电流 FLA相对应。

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因此,通过电机负载的电流可以有如下组合:

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特别注意的是,由于阻性负载,I瞬态是可以忽略的。因此,I负载 也可被近似地认为是I稳态 。但就电机负载而言, I 瞬态可被认为等同于堵转电流(LRA);而 I 稳态可被视为等同于满载电流 (FLA).

LRA 值可在几秒钟之内达到 FLA值的 5至 7 倍,但这要根据电机和应用的类型而定。

三相异步电机线电流计算范例

三相异步电机具有 5 HP、440 VAC, 效率 85% ,功率因数 0.7,其转差率代码为 E,运行环境温度为 40 ° C,满负荷和每相堵转线电流的计算如下:

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对于堵转线电流, 从低到高电流值的计算如下:

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以上计算分析, 每相堵转电流介于 29.5A至 32.8A。

有关固态继电器的安全应用标准

固态继电器由于应用需求的不同,可能会被生产厂商定为不同级别。最常见的等级类别涉及到电阻负载和电机负载的应用。这两个级别之间的主要区别是:对于电机应用,固态继电器的性能必须同时可以处理LRA 和 FLA。下表(表 2)总结出了三种最常见的 SSR对电机应用的标准。

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表 2所示,开关控制电机负载能够处理负载电流,如 LRA。一个给定的固态继电器会有不同的取决于电阻负载或电机负载的额定电流。从本质上讲,固态继电器的额定电阻负载降额时,适用于电机负载。例如,一个固态继电器虽然可以具有 50A的阻性电流,但在电机控制应用中,也可被定为 17A。

固态继电器的三相异步电机应用

传统而言,最常见的能将电源转换成异步电机的设备是机电继电器和接触器。但是,由于用户对提高能/可靠性需求的增加,固态继电器也随之被应用在越来越多的领域中。对于阻性负载控制,三个独立的固态继电器、一个三相固态继电器、或两个需要代码许可的固态继电器(或一个双相固态继电器)均可完成。

固态继电器三相异步电机的主要优点如下

? 全固态结构消除内部机械疲劳

? 接触少,电弧免噪声操作

? 高速开关可实现精确控制

? 逻辑兼容控制输入功率低

? 电子“交直流线圈”,消除EMR接触

? 零电流负载关闭消除瞬变

? 使用寿命比机械继电器或接触器长

? 输入和输出隔离4000 VAC

? 符合RoHS标准

电机启动/停止的应用

大多数应用采用三相电机,仅仅需要电机的启动和停止,如图 5 所示。例如,工业风扇通常单向运行流通空气,只需要启动和停止操作。压缩机是另外一个三相负载的例子,电机只需一个能够接到三相交流供电电路的连接来使其进行正常操作。这些应用通常需要一个简单的三相固态继电器、接触器或起动器,来转换合适的电源负载,并且通过输入控制信号同时连接三个电机绕组。

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异步电机负载的功率因数可以相当低(小于0.6),使其能够在每相电压和电流之间转换(相电流滞后于相电压)。过零固态继电器通常不具备这种应用,只有当交流正弦波接近零交叉点时,继电器才能启动。三相交流系统的每相相位(相对于其它两相)通常为 120°;也就是说,零压固态继电器的每相只能按顺序启动,而不能按需同时启动。此外,由于相位移动与异步电机有关,在线电压超过前行过零窗口之前,继电器由于没有足够的闭锁电流通过输出可控硅而有可能无法启动。在某些情况下,继电器可能会操作不正常、半波或只能为电机的一相或两相供电。

因此,随机启动(有时也称为“瞬间“或”异步“启动)型固态继电器是生产厂商的推荐产品。随机启动型继电器可以在信号输入 100us 之内转换电源负载,无需考虑交流正弦波的电压振幅。而且,

所有三相可同时启动运行;电流和电压之间的相位变化也不会影响固态继电器的启动性能。

当电机负载指定使用固态继电器时,其负载电流瞬变条件必须需要考虑。这主要取决于电机的大

小、加在电机本身的负载、以及浪涌电流等相关因素。当电机首次通电后,其浪涌电流会比正常工作电流高 5 至 7 倍。如此重载电流最终可能会像电机堵转电流(LRA)一样经过几个交流周期逐步减少到满负荷电流(FLA)值,同时电机也会开始旋转(见上页图 4)。但是继电器的大小必须适当,以防止它们因启动而被损坏。此外,在一定条件下,我们应该避免电机线电流等于或大于堵转电流(LRA)。因此,继电器和电机还需要受到过电流保护。

电压瞬变保护对固态继电器来说也是一个必须考虑的因素。当电机与相同或相邻的电路进行负载

切换时,几乎所有交流电源进行或多或少的瞬变。这些瞬变会很容易导致几千伏的电压,同时损害连接在相关线路上的固态继电器。为强调可靠性和安全性,建议为所有控制三相异步电机的固态继电器提供瞬态保护,而且这种保护可在固态继电器内外部同时进行。最常见的应用设备 MOVs具有良好的功率耗散额定值,但对于快瞬变反应不够快。虽然双向 TVS 二极管的耗散能力低于MOVs,但可为快速瞬变提供良好的回应性能。

电机换向的应用

太阳跟踪系统利用电机重新定位太阳能电池板来跟踪太阳全天在天空中的路径。此应用中,电机不仅需要反复启动和停止,还要能够反向旋转回到原来的位置,以便第二天早晨重新迎接太阳。这要求其控制系统不仅可以控制电机,而且可以在需要时反转。

以上图 5 展示了一个用接触器来控制三相电机的简单接线图。当电机通电后,三相交流电被切换

到电机上,使电机开始转动。电机将在持续通电的情况下以恒定的速度同向旋转。但是,如果交流电源中连接到接触器的任何两相互换(例如接线 L1 和电机二号接口,接线 L2 和电机一号接口),当电机重新通电后,其旋转方向将会相反。

显然,电机旋转方向随接线方式而改变是不切实际的。我们需要用控制器来自动控制和完成电机

换向。传统的解决方式是采用分立元件、多个机械继电器、或者三相电机换向接触器来完成。与任何机电设备相比,机械解决方案具有相同的缺点。其中,最重要的缺点是预期寿命,尤其是电机为实现一个特定位置而多次“振动“或”移动“。

对于机械接触问题,我们的解决方案之一是利用多种单相固态继电器。如图 6 所示,交流电源 L1 与电机直接连接;SSR1 和 SSR3 通过L2 或 L3 连接到电机的第二个接口;SSR2 和 SSR4 通过 L2 或 L3 连接到电机的第三个接口。当 SSR1 和SSR2 通电时,电机就会单向旋转;当 SSR1 和 SSR2 断电,而 SSR3 和SSR4 通电时, 电机就会反转;同时还有效地交换了 L2 和 L3 与电机引线的连接。

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6:四个固态继电器电机换向电路及电机与第三相的接线图

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注:多个固态继电器电机换向应用指要如下:

1)就应用需求而言,电机换向的机械化应用虽然很广泛,但其电气化应用仍然存在着影响简单开启和停止的问题,与前面提到的异步电机情况相同。

2)系统控制固态继电器必须有一个互锁电路,以防止同时开启“正向“和”反向“继电器。否则,将会导致继电器相位短路,结果会不堪设想。

3)内部具有过压保护的继电器不适用于电机换向。当其受到电瞬变时,内部 TVS 可能会切换到固态继电器的输出,从而形成相短路。金属氧化物压敏电阻(MOV)可能会被安装在固态继电器输出端以防止电瞬变。

4)第五个固态继电器可按应用所需开启电机的第三相。虽然无须将其列入以上联锁电路,但这个SSR必须与“正向”或“反向”继电器同时通电,以防止电机因为只有两相通电而造成的损坏。

另外一种电机换向应用的首选解决方案是利用电机换向型固态继电器。这种型号的固态继电器具

有两种显著优点:1)四个固态继电器按行业标准采用整体封装,减少了线连接。2)固态继电器

带有互锁电路。

正如图 7 所示,电源的两相负载通过一个电机换向型固态继电器间接地与电机相连,同时第三相直接接入电机。当逻辑信号传到“正向”控制终端,SSR L1 L2 直接接入电机;当信号从“正向”控制终端转移到“反向“控制终端时,SSR 将转换L1 L2 的连接,使电机反转。如果逻辑信号同时传到“正向“和”反向“控制终端,SSR将关闭或保持关闭状态。

如果换向型固态继电器不包括外部 MOVMOV 可被加到电路中以提供额外的过压保护。图 7 中,换向型 SSR 4 个独立的输出电路向电机提供换向功能,因此需要 4 MOV(不论它们是外在的或已被装入继电器)。此外,任何电路必须能够适当的切断交流电。

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图 7:电机换向型固态继电器简化接线图

为三相异步电机的应用选择固态继电器

为三相异步电机应用选择固态继电器需知如下:

? ●电机电源单位为HP、 watts 或 KVA

? ●交流三相额定电压供电

? ●固态继电器的操作环境温度

? ●操作模式:启动、停止或逆转

就大多数电机负载而言,如果电机的功率因数未知,我们通常可以假定其负载功率因数为(cosΘ)≤0.85。另一种更严谨的做法是附加20%的安全限度,以便考虑到线路、负载和操作的差异。

如果电机功率因数已经确定,以下任一过程均可用来确定 SSR 的负载,并按其负载选择合适的模型:

A) 最直接的方法是协调 SSR 的马力/额定电压与电机马力/操作额定电压。这种做法除涉及到安装、散热和SSR 控制电压选择以外,几乎避免了选择过程中瞬态电流的计算。

B) 计算电机在最坏情况下启动和运行的线电流值,然后根据输出电流和电压的负载,选择合适的固态继电器。在这种情况下,上文所提到的计算公式可能会被选用。

3列出了多种典型三相SSR和 UL认证的 HP负载、 FLA 电流负载、以及适用于三相电机启动、停止和换向的SSR。

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表 3:快达三相固态继电器 UL电机控制器负载

表 4 列出了多种典型单相 SSR 和 UL 认证的 HP 负载、FLA 电流负载、以及适用于三相电机启动、

停止和换向的SSR。

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表 4:快达单相固态继电器 UL电机控制器负载

上文提到的范例中,具有 5HP 440VAC 的三相电机,线电流为 8.2A,额外安全限度为 20%,建议SSR 负载为每相或每通道 9.8A。以三相固态继电器为例,用以上方法(A)和表 3,其匹配 SSR 和

换向型 SSR大于5HP@大于440VAC。值得注意的是,每种实际情况下的FLA 电流值会高于以上的计

算结果 9.8A。以单相 SSR 为例的表 4,列出了几种可能的匹配。同样,每个 FLA 的额定电流高于

9.8A,所以具有同一数据组的3 相或4 相换向应用SSR 可用来控制 3相电机负载。

固态继电器功耗的顾虑

固态继电器一旦根据HP和FLA确定了最低的应用输出负载,其功率消耗和环境温度将会按照所需效果而定。

大多数交流输出固态继电器的平均通态正向电压降介于 1.0 和 1.2V 之间。这一电压降将使 1 至

1.2 watts 的能量消散到周围空气中。散热片的散热是最常见的功耗例证。如果散热片作为一个配件来购买,我们可以直接将其安装在散热片上,或者作为固态继电器本身使用。

以上同一范例,假设固态继电器的平均正向电压降为 1.1V,三相固态继电器电路的总功耗将计算

如下:

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因此,无论固态继电器是否具有内部或外部散热片,32.5 watts 的能量将不得不消散到周围空气

中。

注:在同容量的电机换向应用中,因为只有 2 个(不是 3 个)固态继电器同时运行,所以只有

67%的启动/停止操作用来计算 SSR 的总功耗。同样,对于三相应用而言,只有 2 条线路被 2 个单

相或1个双向输出SSR所切换

选择带有整体散热片的三相固态继电器

带有整体散热片的固态继电器是用户最简单实用的选择,因为大部分热计算已经被考虑在负载内。图 显示了一个典型的带有整体散热片的 SSR 输出电流负载与环境温度变化曲线图。在上述计算中,异步电机每相线电流和三相总电流分别为 9.8A 和 29.4A;由图 8 可知,SSR 的允许环境温度可高达 80°C。而实际应用中,一旦SSR的周围环境温度超过80°C,用户应该选用具有较高负载的固态继电器/散热片组装。

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图 8:带有整体散热片的固态继电器总输出负载电流与环境温度曲线图

带有整体散热片的三相固态继电器备有 DIN 导轨安装和面板安装两种型号。这种情况下,选择过

程是相同的,其线电流必须按照线电压和操作环境温度而定。一旦线电流被确定,产品规格的检验及输出电流与环境温度的分析将变得相当简单。

以上应用实例中,如果异步电机具有5HP,每相线电压为 9.8A, 我们必须选用每通道额定电流

为10A,FLA,的固态继电器。然而,衡量 SSR和散热片是否能够在 40 ° C 环境温度下正常运作是选择SSR的重要方式之一。

图 8 中的曲线图显示了 SSR 在环境温度 40° C 下虽然容易操作,但如果应用环境高于 80 ° C,带有较高输出功率和相对环境温度的SSR 必须被选用(例如每相 25A的 SSR)。

为三相电机负载选择快达 DIN 导轨安装或面板安装固态继电器时,以下表 5 列出了两种可能的选项。

? ●一个 CTRD6025R DIN 导轨安装固态继电器

? ●一个 HS053-D53TP25D-10 面板安装固态继电器/散热片组装

注: 以上零件号码仅作范例。快达可以提供大量的具有合适负载的固态继电器。

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表 5:采用带有整体散热片的 DIN导轨安装或面板安装SSR实现三相异步电机负载控制

选择带有独立外部散热片的三相固态继电器

在这种情况下,固态继电器和散热片是相对独立的,所以确定散热片所需的最低负载值以维持一个适合 SSR 的安全工作温度是非常必要的。包括快达白皮书在内的技术论文详细描述了这一过程,而且快达还在自己的网站上为用户方便提供了一个简单的散热片选择工具。

通常大多数交流输出固态继电器的内部最大允许工作温度是125 ° C 或更低,因此,由于负载电流、工作环境温度和热阻抗的不同,而导致的功率消耗对 SSR 的选择起着决定作用。

对于一个给定的应用程序,最低散热片负载(RΘHS) ,以°C /watt为单位,可计算如下:

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注: 热介面材料被放置在SSR和散热片之间的安装面上,以补偿任何由于表面的不规则性而可能增加或减少的热阻抗。根据组成和厚度,这些材料的热阻抗一般介于 0.03和0.1°C/W。

以上应用范例中,每相线电流为 9.8A 的 5HP 异步电机和每通道负载为 10A 的三相固态继电器,

其运行环境温度为 40 °C,且具有 0.25 °C/W 的 RΘSSR 。如果用公式(8), 散热片的最低负载可

计算如下:

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图 9 代表了一个典型的三相面板安装固态继电器热降额曲线图,并说明了电机每相允许负载输出

功率与多种散热片负载环境温度的关系。

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图 9:三相固态继电器每相负载输出功率与环境温度曲线图

根据以上范例计算和 SSR 的选择,规定散热片负载至少 2.3 ° C / W。更有效的散热片应该具有

数值较低的热阻抗,并且能够利用降低 SSR的工作温http://blog.163.com/jetssr/度来提高可靠性和延长使用寿命。

为三相电机负载选择快达面板安装固态继电器时,以下表 6列出了三种可能的选项。

下列选项被认为适用于应用范例:

? ●一个 D53TP10D-10 三相固态继电器 + HS103

? ●三个 CWD4810-10 单项固态继电器 + HS103

? ●一个 CC4825D2VR 双相固态继电器 + HS201

注: 以上零件号码仅作范例。快达可以提供大量的具有合适负载的固态继电器。

一旦固态继电器被选用,下一步是使用散热片选择工具来完成固态继电器和散热片的组装。

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表 6:采用面板安装 SSR和外部散热片实现三相异步电机负载控制总结

固态继电器,无论单相或三相,都是三相异步电机控制的理想之选。为任何特定应用正确选择固态继电器需要具备有关电机额定功率、工作电压、环境温度和接线配置/功能的知识。固态继电器适合于各种操作条件,最高负载可达 600 VAC,每相电流小于50A,且具有面板或 DIN导轨安装配置。合适的散热片应该能够确保固态继电器的正常操作。此外,除 SSR 产品本身以外,快达为用户配备了一应俱全的技术信息资料。

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