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概述

管理浪涌电流

零交越固态继电器可能是开启变压器或高电感负载最糟糕的方法。Evidence1 显示零交越开启此类负载可能导致 10 到 40 倍恒定状态电流的浪涌电流,而峰值电压开启产生很小甚至不产生浪涌电流。

 

这种幅度的浪涌电流可能会严重缩短零交越 SSR 的使用寿命,除非 SSR 的额定电流远远超过负载。它们会造成 EMI 和 RFI(全部沿负载线),这可能会破坏逻辑门并导致半导体开关不必要的开启。此外,这些浪涌电流会对电感绕组和变压器铁心叠片产生热应力和机械应力。这些应力可能会导致设备过早损坏。

 

这种幅度浪涌电流的起涌原因是铁心饱和。变压器设计为在铁芯材料饱和曲线的拐点以下(即图 1 中低于 A 点的位置)运行。但是,确实会发生饱和,当它发生时,电感会减小到一个非常低的值。然后,阻抗下降到比主电路的直流电阻多一点。(这适用于任何可饱和的电抗。)

 

当铁芯不包含剩余磁性的电感最初是在电压峰值时通电时,电流变化速率 (di/dt) 将生成最大反电势,如图 2 的 A 所示,没有通量浪涌。但是,如果在零点处施加电压,则反电势最小,并且会发生“通量翻倍”,如图 2 的 B 所示。这种通量翻倍是电流浪涌的结果,可能会持续多个半周期。

 

铁芯中的剩余磁性会加剧这种浪涌状况。去除磁化电压后,在一定程度上保留磁性是铁芯材料的本性。如果在零交越处重新施加变压器主电压,并且采用增加的磁场支持剩余磁通的方向,则会产生 2øm +ør 的磁通量(图 2 的 C)。当然,这种通量完全与零偏移,并且铁芯处于深度饱和状态,如图 2 F 中的滞后曲线所示。(D 和 E 分别是条件 A 和 B 的滞后曲线。)因此,浪涌电流是正常值的很多倍,如图 2 的 G 所示,并且可以持续多个半周期。

150 VA 变压器的 120 伏主直流电阻约为 1.5 欧姆,500 VA 变压器的 120 伏主电阻约为 0.3 欧姆。有人可能会认为 5 安培零交越 SSR 将足以开关 150 VA 变压器的电流。但是,在铁芯饱和期间,主绕组浪涌为 80 安培:

 

I = E = 120 = 80 安培

R 1.5

 

对于 500 VA 变压器,人们可能认为 10 安培 SSR 就足够了。但是,在铁芯饱和期间,主电流为 400 安培:

 

I = E = 120 = 400 安培

R 0.3

 

在这些情况下,SSR 严重过载,变压器过热。(在此 400 安培浪涌期间,主电路中消耗的功率约为 40 KVA)

图 1

图 1

图 2

图 2

图 3 和图 4 显示了 90o 开启 SSR 对变压器浪涌电流的影响。在图 3A 中,变压器次级电路处于打开状态,主电路在接近零电压时接通。首先发生 200 安培的半周期浪涌(读取范围跟踪从右到左)。但是,当同一变压器在峰值电压下打开时(图 3B),浪涌只比稳态电流大 17%。也就是说,在 7 安培时浪涌。

图 3:150 VA 变压器,未加载次级电路。上面跟踪的是主电流;下面跟踪的是主电压 (120VAC)。(从右到左阅读跟踪。)

图 3:150 VA 变压器,未加载次级电路。上面跟踪的是主电流;下面跟踪的是主电压 (120VAC)。(从右到左阅读跟踪。)

图 4 显示了次级电路连接到 250 欧姆电阻器的同一变压器的波形图。通过比较图 3A 和 4A 可以看到,加载的辅助电路对主浪涌电流没有明显影响。

 

浪涌电流(如图 3A 和 4A 所示)可能会破坏零交越 SSR。

 
图 4:150VA 变压器,跨 250ohm 电阻器连接了次级电路,240VAC。上面跟踪的是主电流;下面跟踪的是主电压 (120VAC)。

图 4:150VA 变压器,跨 250ohm 电阻器连接了次级电路,240VAC。上面跟踪的是主电流;下面跟踪的是主电压 (120VAC)。

“零交越”SSR 并不总是精确地在零电压处打开。电路反应大概需要一微秒或更长时间。因此,在负载电压可能为 15 到 20 伏之前,负载开关可能无法完全打开。在这种情况下,浪涌电流不是很大,但它仍然具有潜在的破坏性。此外,随机打开 SSR 有时可能会在零交越时或接近零交越时打开。打开变压器和其他可饱和高电感负载的最佳方法是使用峰值电压打开器件。在峰值电压处打开产生的浪涌最小(如果确实存在任何浪涌)。

 

零交越 SSR 是适用于电阻电容和轻微电感负载的出色开关。即便如此,也必须考虑浪涌电流。也就是说,白炽灯可能会产生 10 至 20 倍稳态“热丝”电流的“冷丝”浪涌电流。电机可能会产生也许是其运行电流 6 倍的“锁定转子”电流。电容器的浪涌,或存在显著杂散电容的电路的浪涌,仅受电路直流电阻的限制。

 

参考

1.“Alternating Current Machines,” Halsted Press, John Wiley & Son, “Inductively Loaded SSRs Control Turn-On to Eliminate First-Cycle Surges,” Electronic Design, March 15, 1979. “Controlling Transformer Inrush Currents,” EDN, July, 1966. “The Great Zero Cross-over Hoax,” NARM Proceedings, May, 1974.

管理浪涌电流

零交越固态继电器可能是开启变压器或高电感负载最糟糕的方法。Evidence1 显示零交越开启此类负载可能导致 10 到 40 倍恒定状态电流的浪涌电流,而峰值电压开启产生很小甚至不产生浪涌电流。

 

这种幅度的浪涌电流可能会严重缩短零交越 SSR 的使用寿命,除非 SSR 的额定电流远远超过负载。它们会造成 EMI 和 RFI(全部沿负载线),这可能会破坏逻辑门并导致半导体开关不必要的开启。此外,这些浪涌电流会对电感绕组和变压器铁心叠片产生热应力和机械应力。这些应力可能会导致设备过早损坏。

 

这种幅度浪涌电流的起涌原因是铁心饱和。变压器设计为在铁芯材料饱和曲线的拐点以下(即图 1 中低于 A 点的位置)运行。但是,确实会发生饱和,当它发生时,电感会减小到一个非常低的值。然后,阻抗下降到比主电路的直流电阻多一点。(这适用于任何可饱和的电抗。)

 

当铁芯不包含剩余磁性的电感最初是在电压峰值时通电时,电流变化速率 (di/dt) 将生成最大反电势,如图 2 的 A 所示,没有通量浪涌。但是,如果在零点处施加电压,则反电势最小,并且会发生“通量翻倍”,如图 2 的 B 所示。这种通量翻倍是电流浪涌的结果,可能会持续多个半周期。

 

铁芯中的剩余磁性会加剧这种浪涌状况。去除磁化电压后,在一定程度上保留磁性是铁芯材料的本性。如果在零交越处重新施加变压器主电压,并且采用增加的磁场支持剩余磁通的方向,则会产生 2øm +ør 的磁通量(图 2 的 C)。当然,这种通量完全与零偏移,并且铁芯处于深度饱和状态,如图 2 F 中的滞后曲线所示。(D 和 E 分别是条件 A 和 B 的滞后曲线。)因此,浪涌电流是正常值的很多倍,如图 2 的 G 所示,并且可以持续多个半周期。

150 VA 变压器的 120 伏主直流电阻约为 1.5 欧姆,500 VA 变压器的 120 伏主电阻约为 0.3 欧姆。有人可能会认为 5 安培零交越 SSR 将足以开关 150 VA 变压器的电流。但是,在铁芯饱和期间,主绕组浪涌为 80 安培:

 

I = E = 120 = 80 安培

R 1.5

 

对于 500 VA 变压器,人们可能认为 10 安培 SSR 就足够了。但是,在铁芯饱和期间,主电流为 400 安培:

 

I = E = 120 = 400 安培

R 0.3

 

在这些情况下,SSR 严重过载,变压器过热。(在此 400 安培浪涌期间,主电路中消耗的功率约为 40 KVA)

图 1

图 1

图 2

图 2

图 3 和图 4 显示了 90o 开启 SSR 对变压器浪涌电流的影响。在图 3A 中,变压器次级电路处于打开状态,主电路在接近零电压时接通。首先发生 200 安培的半周期浪涌(读取范围跟踪从右到左)。但是,当同一变压器在峰值电压下打开时(图 3B),浪涌只比稳态电流大 17%。也就是说,在 7 安培时浪涌。

图 3:150 VA 变压器,未加载次级电路。上面跟踪的是主电流;下面跟踪的是主电压 (120VAC)。(从右到左阅读跟踪。)

图 3:150 VA 变压器,未加载次级电路。上面跟踪的是主电流;下面跟踪的是主电压 (120VAC)。(从右到左阅读跟踪。)

图 4 显示了次级电路连接到 250 欧姆电阻器的同一变压器的波形图。通过比较图 3A 和 4A 可以看到,加载的辅助电路对主浪涌电流没有明显影响。

 

浪涌电流(如图 3A 和 4A 所示)可能会破坏零交越 SSR。

 
图 4:150VA 变压器,跨 250ohm 电阻器连接了次级电路,240VAC。上面跟踪的是主电流;下面跟踪的是主电压 (120VAC)。

图 4:150VA 变压器,跨 250ohm 电阻器连接了次级电路,240VAC。上面跟踪的是主电流;下面跟踪的是主电压 (120VAC)。

“零交越”SSR 并不总是精确地在零电压处打开。电路反应大概需要一微秒或更长时间。因此,在负载电压可能为 15 到 20 伏之前,负载开关可能无法完全打开。在这种情况下,浪涌电流不是很大,但它仍然具有潜在的破坏性。此外,随机打开 SSR 有时可能会在零交越时或接近零交越时打开。打开变压器和其他可饱和高电感负载的最佳方法是使用峰值电压打开器件。在峰值电压处打开产生的浪涌最小(如果确实存在任何浪涌)。

 

零交越 SSR 是适用于电阻电容和轻微电感负载的出色开关。即便如此,也必须考虑浪涌电流。也就是说,白炽灯可能会产生 10 至 20 倍稳态“热丝”电流的“冷丝”浪涌电流。电机可能会产生也许是其运行电流 6 倍的“锁定转子”电流。电容器的浪涌,或存在显著杂散电容的电路的浪涌,仅受电路直流电阻的限制。

 

参考

1.“Alternating Current Machines,” Halsted Press, John Wiley & Son, “Inductively Loaded SSRs Control Turn-On to Eliminate First-Cycle Surges,” Electronic Design, March 15, 1979. “Controlling Transformer Inrush Currents,” EDN, July, 1966. “The Great Zero Cross-over Hoax,” NARM Proceedings, May, 1974.