固態(tài)繼電器在爐溫控制系統(tǒng)改造中的應(yīng)用

　　摘要：針對(duì)工廠(chǎng)常用烘干設(shè)備及熱處理設(shè)備的原控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析。著重闡述了固態(tài)繼電器的原理、性能，并和交流接觸器作了比較，提出了利用固態(tài)繼電器代替交流接觸器控制爐溫的方法，設(shè)計(jì)出原理圖，應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。有效提高了控溫精度，而且改善了工作環(huán)境。 

　　在工廠(chǎng)生產(chǎn)中用于工件烘干及熱處理的設(shè)備很多。如箱式電爐、紅外線(xiàn)加熱爐、熔化爐、干燥箱、井式回火爐、淬火爐、高溫鹽爐、中溫鹽爐和油爐等，其工作溫度在 0 ～ 1 200 ℃之間。此類(lèi)設(shè)備有的外購(gòu)，有的系公司自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)，大多設(shè)備控制柜老化嚴(yán)重，使用時(shí)間近 20 年。此類(lèi)設(shè)備均采用記錄儀直接控制接觸器通斷進(jìn)行加熱，控制精度較低，一般在±5％之間，而且噪音大、耗能高。隨著公司制造能力及技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在對(duì)工件表面處理要求越來(lái)越高，控溫要求也越來(lái)越高。在“十一五”期間公司投入部分資金進(jìn)行系統(tǒng)改造。在改造過(guò)程中借鑒國(guó)外技術(shù)，新系統(tǒng)采用三表分離，測(cè)溫點(diǎn)采樣多，分布均勻，控溫精度高，一般在±2％以?xún)?nèi)。特別是采用固態(tài)繼電器以后，既降低了噪音又降低了空載損耗。

　　1 原爐溫控制系統(tǒng)基本情況及工作過(guò)程

　　原爐溫控制系統(tǒng)原理如圖 1 所示，系統(tǒng)采用記錄儀直接控制交流接觸器進(jìn)行通斷加熱，交流接觸器動(dòng)作頻繁、噪音大、觸點(diǎn)燒蝕嚴(yán)重，每隔一段時(shí)間就要更換。溫度采樣點(diǎn)少，爐內(nèi)真實(shí)溫度反映不準(zhǔn)確；控溫精度不高，溫度上下波動(dòng)范圍大，記錄效果不好。

　　2 固態(tài)繼電器控制的爐溫系統(tǒng)

　　2.1 固態(tài)繼電器的分類(lèi)

　　固態(tài)繼電器（亦稱(chēng)固體繼電器，SolidStateRelay，簡(jiǎn)稱(chēng) SSR）是用分離的電子元器件、集成電路（或芯片）及混合微電路技術(shù)結(jié)合發(fā)展起來(lái)的一種具有繼電特性的無(wú)觸點(diǎn)式電子開(kāi)關(guān)。具有壽命長(zhǎng)、可靠性高、開(kāi)關(guān)速度快、電磁干擾小、無(wú)噪聲、無(wú)火花等特點(diǎn)。

　　按輸出負(fù)載電源，分為交流固態(tài)繼電器、直流固態(tài)繼電器和交直流固態(tài)繼電器。

　　交流固態(tài)繼電器按開(kāi)關(guān)方式分有電壓過(guò)零導(dǎo)通型（簡(jiǎn)稱(chēng)過(guò)零型）和隨機(jī)導(dǎo)通型（簡(jiǎn)稱(chēng)隨機(jī)型）；按輸出開(kāi)關(guān)元件分有雙向晶閘管輸出型（普通型）和單向晶閘管反并聯(lián)型（增強(qiáng)型）；按安裝方式分有印刷線(xiàn)路板上用的針插式（自然冷卻，不必帶散熱器）和固定在金屬底板上的裝置式（靠散熱器冷卻）；另外輸入端又有寬范圍輸入（DC 3～32 V）的恒流源型和串電阻限流型等。

　　直流固態(tài)繼電器按輸入端分為光隔離型、高頻磁隔離型和變壓器耦合型；按輸出端分為大功率三極管型和功率場(chǎng)效應(yīng)管型。

　　交直流固態(tài)繼電器分為光伏耦合器型和磁隔離型。

　　2.2固態(tài)繼電器的原理分析

　　如圖 2 所示，固態(tài)繼電器是用半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點(diǎn)作為切換裝置的具有繼電器特性的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件，為四端有源器件，其中兩個(gè)輸入控制端，兩個(gè)輸出端，輸入輸出間為光隔離，輸入端加上直流或脈沖信號(hào)到一定電流值后，輸出端 1，2 就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)，1從而接通交流或直流電路[1] 。

　　固態(tài)繼電器就相當(dāng)于一個(gè)無(wú)觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān)，如圖 3 所示，通過(guò)對(duì)輸入控制端信號(hào)的給定，對(duì)電源（交流或直流）的通斷進(jìn)行控制。

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　　在感性負(fù)載的場(chǎng)合，當(dāng) SSR由通態(tài)關(guān)斷時(shí)，由于電流、電壓的相位不一致，將產(chǎn)生一個(gè)很大的電壓上升率dμ/dt（換向dμ/dt）加在雙向晶閘管兩端，如此值超過(guò)雙向晶閘管的換向 dμ/dt 指標(biāo)（典型值為10 V/μs）則將導(dǎo)致延時(shí)關(guān)斷，甚至失敗。而單向晶閘管為單極性工作狀態(tài)，只受靜態(tài)電壓上升率dμ/dt（典型值為100 V/ μs）影響，由兩只單向晶閘管反并聯(lián)構(gòu)成的增強(qiáng)型SSR 比由一只雙向晶閘管構(gòu)成的普通型SSR的換向dμ /dt有了很大提高，因此在感性或容性負(fù)載場(chǎng)合宜選取增強(qiáng)型SSR。

[$page]　　2.3 固態(tài)繼電器的優(yōu)缺點(diǎn)

　　與常規(guī)使用的交流接觸器比較，固態(tài)繼電器有優(yōu)勢(shì)，但也存在導(dǎo)通壓降較大，有斷態(tài)漏電流等缺點(diǎn)，具體情況見(jiàn)表1。

　　2.4 固態(tài)繼電器構(gòu)成的溫控系統(tǒng)

　　根據(jù)過(guò)零型交流固態(tài)繼電器的特性，選用日本橫河系列或大華-千野系列溫控表，選擇UT350-KP1000系列溫控表，SSR驅(qū)動(dòng)輸出型。此類(lèi)溫控表可存貯19種程序段，每種程序段有19種步進(jìn)通過(guò)LCD顯示，正在執(zhí)行的步進(jìn)及其前后各一步用自整定功能片可自由設(shè)定PID常數(shù)對(duì)應(yīng)多種對(duì)象，程序運(yùn)行可有主從方式。

　　報(bào)警表采用XMT系列，記錄儀采用川儀ER186系列儀表。主回路加電壓及電流監(jiān)控，控制回路加報(bào)警輸出。由于固態(tài)繼電器是發(fā)熱元件，長(zhǎng)時(shí)間工作，若沒(méi)有好的散熱容易燒毀，本系統(tǒng)在安裝固態(tài)繼電器時(shí)，將其裝在帶有散熱風(fēng)扇的鋁散熱器上，在散熱器表面裝上溫度繼電器，將其觸點(diǎn)串入主回路控制線(xiàn)圈，一旦溫度過(guò)高，可自動(dòng)停止固態(tài)繼電器工作，有效保護(hù)元件。設(shè)計(jì)原理如圖4 所示。

　　整個(gè)系統(tǒng)借鑒國(guó)外技術(shù)，采用三表（溫控表、記錄儀、報(bào)警表）分立，三熱電偶分立，測(cè)溫點(diǎn)在爐內(nèi)分布均勻，相互制約，有效檢測(cè)爐內(nèi)溫度。整體控溫精度高，系統(tǒng)運(yùn)行基本無(wú)噪音。系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

　　3 結(jié) 語(yǔ)

　　改造后的系統(tǒng)由于統(tǒng)一了儀表及控制元件，相互之間可互換，通用性強(qiáng)，維護(hù)方便。而且控溫精度高，噪音低，節(jié)省能源。目前已在公司數(shù)臺(tái)設(shè)備改造中得到應(yīng)用，取得了良好的效果。

　　參考文獻(xiàn)：
　　[1] 王兆安，黃 俊. 電力電子技術(shù) [M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.