富士時報 Vol.72 No.7 1999 ソリッドステートコンタクタ 元信 昌弘（もとのぶ まさひろ） 大久保 幸治（おおくぼ こうじ） まえがき 42 A の３形式で現行の 480 V 70 ∼ 200 A 品と合わせてこ のシリーズの機種ぞろえが完了した。 長寿命，高頻度開閉，無騒音，メンテナンスフリーを目 的に開発した電磁接触器の無接点化機器であるソリッドス テートコンタクタ（ SSC） SS シリーズは， 三極品 では AC240 V 3 ∼ 120 A，AC480 V 30 ∼ 120 A，単極品では， AC240 V 10 ∼ 200 A，AC480 V 70 ∼ 200 A の基本機種の シリーズ化を図っており，電動機やヒータなどの各種負荷 の制御用として幅広く適用され，好評を博している。 ２.１.１ 主な特長 （1） 操作入力は，DC5 ∼ 24 V のワイドレンジ仕様 温度調節器など各種機器との組合せに 1 台で対応が可能 （2 ） 冷却フィンは SSC 本体と標準品で一体構造 フィンの選定が不要 （3） 20 A， 30 A 品 の 外形 は 現行 240 V 30 ∼ 40 A 品 と 同 一形状 このたび，SS シリーズの機種拡充を狙いに，新商品と レール取付け，ねじ取付けとも互換性あり して次の 3 機種を開発した。 （1） ヒータ制御に最適な小容量単極 AC480 V SSC 図２ 480 V SSC の出力回路構成 （2 ） 小形，経済形の単極 AC240 V SSC Rs （3） 直流負荷開閉用 DC240 V SSC 本稿では，これらの概要について紹介する。 R1 C1 補助トライ アック Z1 新商品 SSC の概要 表１に今回開発した SSC の仕様を示す。 R2 C2 PT （Z付き） Z2 ２.１ 単極 480 V 20 A，30 A，42 A SSC 図１ に 外観 を 示 す。 主回路仕様 AC480 V 20 A， 30 A， Rs （a）新規回路 図１ 単極 480 V SSC の外観 D1 D2 R1 Rs 補助 サイリスタ1 Z1 C R2 PC 補助 サイリスタ2 Z2 D3 D4 （b）従来回路 AF99-203 396（42） 元信 昌弘 大久保 幸治 電子化機器の開発・設計に従事。 電子化機器の開発・設計に従事。 現在，吹上工場器具設計部。 現在，吹上工場器具設計部。 Rs 富士時報 ソリッドステートコンタクタ Vol.72 No.7 1999 表１ SSC の仕様および定格 機 種 形 式 項 目 単極 480 V SSC SS201H-3Z -D3 定格使用電圧 AC200∼480 V 50/60 Hz 10 A 20 A 30 A 3A 最小負荷電流 0.5 A 0.1 A 0.1 A 閉路時電圧降下 （100％ I n 時） 1.6 Vrms 1.6 Vrms 3.5 V 開路時漏れ電流 （最大） 20 mA （AC400 V時 f ＝60 Hz） 15 mA （AC200 V時 f ＝60 Hz） 5 mA（DC240 V時） 300 A 660 A ゼロクロス機能 150 A 225 A 300 A 10 A（10 ms） あり あり なし 点 弧 方 式 無接点点弧方式 操 作 方 式 直流操作 直流操作 交流操作 定格使用電圧 （Vn ） DC5/12/24 V （2端子，極性あり） DC5/12/24 V （2端子，極性あり） AC100/200 V （2端子，極性なし） 使用電圧範囲 DC3.5∼30 V DC4∼30 V AC85∼264 V DC4∼30 V AC85∼264 V 動 作 電 圧 DC3.5 V以下 DC4 V以下 AC85 V以下 DC4 V以下 AC85 V以下 復 帰 電 圧 無接点点弧方式 無接点点弧方式 直流操作 交流操作 DC5/12/24 V AC100/200 V （2端子，極性あり）（2端子，極性なし） DC1.5 V以上 DC1.5 V以上 AC30 V以上 DC1.5 V以上 AC30 V以上 動 作 時 間 （100％ V n 時） 15 ms以下 15 ms以下 30 ms以下 5 ms以下 30 ms以下 復 帰 時 間 （100％ V n 時） 15 ms以下 15 ms以下 30 ms以下 5 ms以下 30 ms以下 20 mA以下（DC30 V時） 7 mA以下 （DC30 V時） 5 mA以下 （AC264 V時） 消 費 電 流 動 作 表 示 相 対 耐 絶 電 縁 耐 耐 湿 −10∼＋60℃（氷結なし，40℃超過時は通電電流を低減して使用のこと。） 抵 振 衝 度 圧 撃 30 mA以下 5 mA以下 （DC30 V時） （AC264 V時） LED（赤） 使用周囲温度 一 般 仕 様 DC24∼240 V 50/60 Hz 42 A SS031D-3 -A2 DC20.4∼264 V （AC19∼250 V全波， 半波整流電源適用可） 定 格 周 波 数 30 A SS031D-3 -D3 AC100∼240 V AC85∼264 V 20 A 直流 SSC SS301C-3Z -D3，-A2 SS201C-3Z -D3，-A2 AC170∼528 V サージオン電流 （ I TSM ） （60 Hz，正弦波， 1サイクル） 操 作 回 路 SS101C-3Z -D3，-A2 使用電圧範囲 定格通電電流 （In） 主 回 路 単極 240 V SSC SS421H-3Z -D3 SS301H-3Z -D3 45∼85％（結露なし） AC2,500 V 1分間 主回路，操作回路一括-フィン間， 主回路-操作回路間 AC2,000 V 1分間 （主回路，操作回路一括-フィン間，主回路-操作回路間） 100 MΩ以上（DC500 Vメガー）（主回路，操作回路一括-フィン間，主回路-操作回路間） 抗 性 耐久 10∼50 Hz 複振幅0.75 mm（最大37 m/s2） 性 耐久 300 m/s2（約30 G） （4 ） 操作入力の動作表示灯標準装備 は整流回路 D1 ∼ D4 を介して補助サイリスタが 2 段直列 （5） ゼロクロス機能標準装備 に構成されていた。操作入力信号を受けてホトトランジス ２.１.２ 高電圧制御回路の構成 AC480 V という 高電圧 に 対応 した 制御回路 を 小形 ケー タ PC がオンすると，抵抗 R1，R2 を通って補助サイリス タ 2 がオンする。これにより抵抗 R1 →補助サイリスタ１ スに収納するためには，出力段回路の小形化が必要となっ がオンして，パワー素子がオンすることで負荷の開閉制御 た。この課題に対し新回路方式を採用することにより，小 を行う。 形・高電圧制御回路を実現した。 図 ２ に 480 V SSC の 従来品 と 今回 の 新商品 の 出力段回 このように従来回路では補助サイリスタ方式のため部品 点数が多く，小形化は困難であった。 路構成を示す。出力段の開閉パワー素子は，どちらも 2 個 図２の新方式において，駆動回路はトライアックとホト のサイリスタの逆並列接続で構成している。従来品は，サー トライアックの 2 段直列とし整流回路を使用しない構成と ジ吸収素子としてスナバコンデンサ C，スナバ抵抗 Rs と した。なお，サージ吸収回路は従来品と同様に C1，C2， バリスタ Z1，Z2 が素子と並列に，パワー素子の駆動回路 Rs とバリスタ Z1，Z2 の構成としている。 397（43） 富士時報 ソリッドステートコンタクタ Vol.72 No.7 1999 図３ 単極 240 V SSC の外観 図４ 単極 SSC の構造と回路 端子 電子部品 静電浮遊容量 銅パターン 絶縁層 Cs アルミ ベース C sは，パターン面積と絶縁層の厚み， （1）静電浮遊容量 誘電率で決まる。 （ C s ∝ εS /d ） （2）耐コモンモードノイズに対しては， が小さいほど Cs 耐量アップする。 （a）SSC内部構造 （アース） 補助 サイリスタ AF99-119 スナバコンデンサ C は，サージ 吸収機能 に 加 えてホト コモン ノイズ 電源 トライ アック （アース） トライアックがオンするとコンデンサの充電電流がホトト ライアック→補助トライアックのゲートへ流れ二つの補助 素子を確実にターンオンさせ，パワー素子がオンする。 Cs サージ吸収用 CR 部品に複合機能を持たせることで部品 負荷 Cs 点数も削減（従来比 65 ％）した。 （アース） （b）回路構成 ２.２ 単極 240 V 10 ∼ 30 A SSC 図３に外観を示す。主回路 10 A，20 A，30 A の 3 フレー ム，操作入力は DC5 ∼ 24 V，AC100 ∼ 200 V の計 6 形式 を開発した。 ２.２.１ 主な特長 （1） 銅はくパターン面積の低減 パターン面積の大きい場所は入出力端子の接続箇所で， （1） 操作電圧は DC5 ∼ 24 V のワイドレンジ仕様 この部分だけで総容量の約 80 ％を占めている。このため （2 ） 小形薄形構造 通電電流による温度上昇が問題とならない端子取付面とパ 10 ∼ 30 A まで同一形状。従来の単極品に比較して，30 A 品で床面積は 65 ％，体積は 50 ％。 （3） 冷却フィンはオプション対応 盤への直取付け，汎用フィンへの取付けなどの使用可能 ターン面積の狭小化（約 50 ％低減）を図った。 （2 ） 絶縁層材料の選定 絶縁層は，エポキシ樹脂と熱伝導性を良くするために金 属粉を成分とするフィラーで構成されているのが一般的で （4 ） 操作入力の動作表示灯標準装備 ある。通常，金属基板は熱伝導性を確保するためフィラー （5） ゼロクロス機能標準装備 の量を多く入れているが，誘電率はフィラーのほうがエポ ２.２.２ 耐ノイズ性能の向上 キシ樹脂より大きいため基板の Cs はフィラーで決定され SSC の 薄形構造化 のためにパワー 素子 ， 制御回路 と 入 ていた。このため， SSC の 発生損失 に 合 った 最適 な 熱伝 出力端子をアルミ基板に同一実装する構成とした。構造お 導性を備えたフィラーを選定するとともに，浮遊容量を小 よび回路構成の概要を図４に示す。 さくするための最適量の決定を行った。このため金属基板 本構造における技術的課題は耐ノイズ性能の向上である。 メーカーと共同開発を進めて従来比で Cs を半減化した材 金属基板は銅パターンとアルミベース間に絶縁層が介在す 料を開発し，ノイズレベルの耐量アップを図ることができ るため，パターン面積と絶縁層の厚み，誘電率で決まる浮 た。 遊容量 Cs が発生する。したがって，回路構成に示すよう に回路上の各点とベース間に Cs が寄生する。このため， ２.３ DC240 V 3 A SSC 電源ーアース（ベース）間のコモンモードノイズ耐量が低 図５に外観を示す。主回路 DC240 V 3A，操作電圧仕様 下する。つまり，出力端子と SSC のベース間が C で結合 は， DC5 ∼ 24 V 品 と AC100 ∼ 240 V 品 の 2 形式 を 開発 されているため，コモンモードノイズが印加されると浮遊 した。 容量をバイパスして直接メイントライアック，補助サイリ 本商品は電動機用ブレーキコイルの直流開閉を狙いに開 スタに印加されるためノイズの dv/dt が素子の許容値を超 発したものである。従来の有接点開閉器では，直流電流の， えると誤動作してしまう。 特に高頻度開閉では接点寿命が短くメンテナンスを頻繁に ノイズ 耐量 をアップするためには， Cs を 極力小 さくす 行 う 必要 があった。 今回開発 した 直流 SSC により， 有接 る必要がある。このため，下記により浮遊容量の半減化を 点開閉器使用時の回路を変更することなく置換えができ， 図りノイズ耐量を確保した。 長寿命化，メンテナンスフリーが可能となる。 398（44） 富士時報 ソリッドステートコンタクタ Vol.72 No.7 1999 図６ 直流 SSC のブレーキコイルへの適用例 図５ 直流 SSC の外観 3φ AC200∼240V R S T バリスタ （富士電機製 ENC391D-20A） 三極SSC 直流SSC M ブレーキ コイル 整流ユニット AF99-118 ために必ず SSC 出力端子と並列にバリスタ（富士電機の 商品名：ゼットラップ）を接続することが必要である。 ２.３.１ 主な特長 （1） 出力は DC24 ∼ 240 V のワイドレンジ仕様 また，図示していないがブレーキコイルは通常，無励磁 （2 ） AC240 V 交流電源の半波，全波整流電圧に適用可能 で制動となるため直流 SSC を三相 SSC に対して先入れ， （3） 操作電圧は，DC 品，AC 品ともワイドレンジ仕様 後切 れになるように 各 SSC の 操作入力 のタイミングを 確 （4 ） 操作入力の動作表示灯標準装備 保する必要がある。 ２.３.２ ブレーキコイルへの適用例 図６ に 直流 SSC のブレーキコイルへの 適用例 を 示 す。 あとがき 図 のように 電動機 の 開閉制御 に 現行 の 三極 SSC を 使用 し， 主回路を整流ユニットで半波整流した直流電圧とコイル間 以上 ， 今回開発 した SSC の 構造 ， 仕様 について 紹介 し に直流 SSC を接続すればよく，基本的には従来の有接点 た。今後も市場動向に注目し，新しいニーズに対応した商 開閉器 で 構成 した 箇所 にそのまま SSC を 置 き 換 えれば 装 品開発を行っていく所存である。 置の無接点化が可能で長寿命，無騒音化が図れる。図にお いて，コイルにはインダクタンス L があるため 直流 SSC がオフしてもコイルに蓄えられたエネルギーの減衰特性で ブレーキの制動時間が決まる。制動時間を短くするために は SSC がオフするとコイル間を開放すればよいが，この ときコイルから発生するサージ電圧から SSC を保護する 参考文献 （1） 石川雅英 ほか ： ソリッドステートコンタクタ， 富士時報 ， Vol.60，No.2，p.134-141（1987） （2 ） 田中順造ほか：ソリッドステートコンタクタの特徴と使い 方，富士時報，Vol.68，No.8，p.442-446（1995） 399（45） ＊本誌に記載されている会社名および製品名は，それぞれの会社が所有する 商標または登録商標である場合があります。