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交流固态继电器在自动控制系统中的应用

0 概述
  固态继电器(SSR)是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件,它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性,可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的,因此又被称为“无触点开关”。它问世于20世纪70年代。由于它的无触点工作特性,使其在许多领域的电控及计算机控制方面得到日益广范的应用。
1 交流固态继电器的结构与工作原理
  交流固态继电器可分为过零输出和非过零(随机)输出2种类型,下面以过零输出型为例介绍交流固态继电器的结构与工作原理。
  过零输出型交流固态继电器的内部电路原理图如图1所示。

  固态继电器由三部分组成:输入电路、隔离(耦合)电路和输出电路。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。LED发光二极管指示输入端控制信号,VD1可防止当输入信号正负极性接反时以保护光耦IC1。
  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(控制端有信号输入时),SCR可控硅的工作状态由交流电压零点检测三极管V1来确定其工作状态。如电源电压经R2与R3分压,A处电压大于过零电压( )时,V1处于饱和导通状态,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,V1处于截止状态,SCA可控硅通过R4获得触发信号而导通,从而使BTA在R6上也获得触发信号而呈导通状态,对负载电源进行关断控制。如此时控制端信号关断后,负载电流也随之减小至BTA双向可控硅的维持电流时可自行关断,切断负载电源。
  交流过零型固态继电器,因有其电压过零时开启、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,也相应地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。过零型与随机型的工作波形如图2所示。


2 固态继电器的特点
  (1)输入控制电压低(3~14 V),驱动电流小(3~15 mA),输入控制电压与TTL、DTL、HTL电平兼容,直流或脉冲电压均能作输入控制电压;
  (2)输出与输入之间采用光电隔离,可实现在以弱控强的同时,做到强电与弱电完全隔离,两部分之间的安全绝缘电压大于2 kV,符合国际电气标准;
  (3)输出无触点、无噪音、无火花、开关速度快;
  (4)输出部分内部一般含有RC过压吸收电路,以防止瞬间过压而损坏固态继电器;
  (5)有多种规格可选择:输入有电阻限流直流、恒流直流和交流等类型。输出有直流输出方式和交流输出方式。输出额定电压有(220~380 V)交流电压及(30~180 V)直流电压。交流输出中有过零触发型和非过零触发型(随机型);
  (6)过零触发型固态继电器对外界的干扰非常小;
  (7)采用环氧树脂全灌封装,具有防尘、耐湿、寿命长等优点。
3 交流固态继电器在自控系统中的应用实例
(1)多组输出电路
  多组输出电路如图3所示。当输人为“0”时。三极管BG截止,SSRl、SSR2、SSR3的输入端无输入电压,各自的输出端断开;当输人为“1”时,三极管BG导通,SSRl、SSR2、SSR3的输人端有输入电压,各自的输出端接通,因而达到了由一个输入端口控制多个输出端“通”、“断”的目的。

(2)单刀双掷控制电路
  单刀双掷控制电路如图4所示。当输人为“0”时,三极管BG截止,SSRl输入端无输入电压,输出端断开,此时A点电压加到SSR2的输入端上()应使SSR,输出端可靠接通),SSR2的输出端接通。当输人为“1”时,三极管BG导通,SSR。输入端有输入电压,输出端接通,此时A点虽有电压,但的电压值已不能使SSR2的输出端接通而处于断开状态,因而达到了“单刀双掷控制电路”的功能。

  值得注意的是,选择稳压二极管DW 的稳压值时,应保证在导通的SSR1“+”端的电压不会使SSR2导通,同时又要兼顾到SSR1截止时“+”端的电压能使SSR2导通。
(3)温度控制电路
  由单片机和交流固态继电器控制的温度控制电路如图5所示。

  该电路采用周波控制法,调节负载功率而达到调节温度的目的。调功原理为:
设电网连接N个完整的正弦波(周期)为一个控制周期T,则

T=N/f

  式中f——电网频率,Hz。
  设在设定的周期T内控制加到SSR输入端的n(n≤N个完整的正弦波周期数,则负载功率

式中 U—— 电网电压有效值;
Rs—负载有效电阻。
  可见,只要控制在设定周期T内的周波数n,就可调节负载的功率。或者反过来说,可根据不同的功率要求,导算出n,将n转换成时间,作为 的定时设定,每当T0溢出,在中断服务程序中由P1.0来控制SSR的导通和截止,就可在设定的周期 内控制加载到电热器上的定额周期的正弦波,达到调控温度的目的。
(4)单相交流电动机正反转控制电路
  单相交流电动机的正反转控制电路如图6所示。电路中开关S分别置于“I”、“Ⅱ”位置时,电机分别为正转和反转。图中M为单相交流电动机,RC串联组成外加吸收电路,RV为氧化锌压敏电阻,起过电压保护作用。该电路工作效果的好坏,关键在于AC—SSR额定电压的选取。由电路中运行电容C回路的工作特点可知,当AC—SSR1或AC—SSR2中任何一个关断时,关断SSR输出端的电压约为交流电源电压的2倍。因此在选用SSR额定电压时,应大于电源电压的2倍,换向时间也必须有30ms以上的延时。


(5)计算机控制的三相交流电动机正反转控制电路
  计算机控制三相交流电动机正反转控制电路如图7所示。图中采用了4个与非门,用2个信号通道分别控制电动机的起动、停止和正转、反转。当改变电动机转动方向时,给出指令信号的顺序应是“停止一反转一起动”或“停止一正转一起动”。延时电路的最小延时不小于1.5个交流电源周期。其中RD。、RD2、RD3为熔断器。当电机允许时,可以在R一R4位置接入限流电阻,以防止当万一两线间的任意2只继电器均误接通时,限制产生的半周线间短路电流不超过继电器所能承受的浪涌电流,从而避免烧毁继电器等事故,确保安全性;但副作用是正常工作时电阻上将产生压降和功耗。该电路建议采用额定电压为66O V或更高一点的SSR产品。

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