固態(tài)繼電器在爐溫控制系統(tǒng)改造中的應用

　　摘要：針對工廠常用烘干設備及熱處理設備的原控制系統(tǒng)進行了分析。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，設計出原理圖，應用于現(xiàn)場實際。有效提高了控溫精度，而且改善了工作環(huán)境。 

　　在工廠生產(chǎn)中用于工件烘干及熱處理的設備很多。如箱式電爐、紅外線加熱爐、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。此類設備有的外購，有的系公司自行設計生產(chǎn)，大多設備控制柜老化嚴重，使用時間近 20 年。此類設備均采用記錄儀直接控制接觸器通斷進行加熱，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的發(fā)展，現(xiàn)在對工件表面處理要求越來越高，控溫要求也越來越高。在“十一五”期間公司投入部分資金進行系統(tǒng)改造。在改造過程中借鑒國外技術，新系統(tǒng)采用三表分離，測溫點采樣多，分布均勻，控溫精度高，一般在±2％以內(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行通斷加熱，交流接觸器動作頻繁、噪音大、觸點燒蝕嚴重，每隔一段時間就要更換。溫度采樣點少，爐內(nèi)真實溫度反映不準確；控溫精度不高，溫度上下波動范圍大，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

　　固態(tài)繼電器（亦稱固體繼電器，SolidStateRelay，簡稱 SSR）是用分離的電子元器件、集成電路（或芯片）及混合微電路技術結合發(fā)展起來的一種具有繼電特性的無觸點式電子開關。具有壽命長、可靠性高、開關速度快、電磁干擾小、無噪聲、無火花等特點。

　　按輸出負載電源，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)繼電器按開關方式分有電壓過零導通型（簡稱過零型）和隨機導通型（簡稱隨機型）；按輸出開關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（增強型）；按安裝方式分有印刷線路板上用的針插式（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效應管型。

　　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)繼電器是用半導體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點開關器件，為四端有源器件，其中兩個輸入控制端，兩個輸出端，輸入輸出間為光隔離，輸入端加上直流或脈沖信號到一定電流值后，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)繼電器就相當于一個無觸點的開關，如圖 3 所示，通過對輸入控制端信號的給定，對電源（交流或直流）的通斷進行控制。

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　　在感性負載的場合，當 SSR由通態(tài)關斷時，由于電流、電壓的相位不一致，將產(chǎn)生一個很大的電壓上升率dμ/dt（換向dμ/dt）加在雙向晶閘管兩端，如此值超過雙向晶閘管的換向 dμ/dt 指標（典型值為10 V/μs）則將導致延時關斷，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)構成的增強型SSR 比由一只雙向晶閘管構成的普通型SSR的換向dμ /dt有了很大提高，因此在感性或容性負載場合宜選取增強型SSR。

[$page]　　2.3 固態(tài)繼電器的優(yōu)缺點

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

　　2.4 固態(tài)繼電器構成的溫控系統(tǒng)

　　根據(jù)過零型交流固態(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)動輸出型。此類溫控表可存貯19種程序段，每種程序段有19種步進通過LCD顯示，正在執(zhí)行的步進及其前后各一步用自整定功能片可自由設定PID常數(shù)對應多種對象，程序運行可有主從方式。

　　報警表采用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，控制回路加報警輸出。由于固態(tài)繼電器是發(fā)熱元件，長時間工作，若沒有好的散熱容易燒毀，本系統(tǒng)在安裝固態(tài)繼電器時，將其裝在帶有散熱風扇的鋁散熱器上，在散熱器表面裝上溫度繼電器，將其觸點串入主回路控制線圈，一旦溫度過高，可自動停止固態(tài)繼電器工作，有效保護元件。設計原理如圖4 所示。

　　整個系統(tǒng)借鑒國外技術，采用三表（溫控表、記錄儀、報警表）分立，三熱電偶分立，測溫點在爐內(nèi)分布均勻，相互制約，有效檢測爐內(nèi)溫度。整體控溫精度高，系統(tǒng)運行基本無噪音。系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

　　3 結 語

　　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，維護方便。而且控溫精度高，噪音低，節(jié)省能源。目前已在公司數(shù)臺設備改造中得到應用，取得了良好的效果。

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