CN104935318B - 三相电子超导型固态继电器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相电子超导型固态继电器，三相电子超导型固态继电器包括辅助电源电路，宽电压恒流驱动电路，时序控制电路，三组由一个汽车继电器和一个固态继电器构成的固态继电器电路一、二、三，以及缺相保护检测电路。本技术方案针对现有技术中的缺陷所设计，具有以下特点：1安装方便不发热无需散热装置占用空间少。2自身耗能小(小于7.5W)。3应用使用范围宽(交流款，控制电压7‑450V。直流款，控制电压3‑60V)。4可以直接使用启动、停止按钮控制不需要辅助电源就可以控制主回路。5增加入缺相保护功能，有效保证用电设备的安全运行。

Description

三相电子超导型固态继电器

技术领域

本发明涉及电子元器件技术领域，具体为一种三相电子超导型固态继电器。

背景技术

固态继电器(SOLIDSTATE RELAYS)，简写成“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。目前市场上见到的固态继电器存在以下缺陷，抗过载能力差，自身耗能大、需要加足够大的散热装置才能保证安全工作，应用范围不够宽等。

普通固态继电器耗能，就是非常大的一个数字，以某品牌固态继电器的耗能为例80A的电流乘上最大压降1.5VVrms要消耗约120W的电能(有些厂家的甚至最大压降高达5Vrms让费的电能更大)，每台使用固态继电器的设备有几个甚至几十个消耗的电能几百到几千瓦。全国每天都有成千上万的使用固态继电器的设备运行。每天白白浪费的电能可想而知。

现有的固态继电器一般触点与触点间电压为AC500V，触点间电流达到80A时最大切换电压只有14V不能用与更高的电压切换，这是因为切换时产生电弧而烧坏触点。在其中触点开断时，如果电源电压超过12～20V,被断开的电流超过0.25～1A，在触点间隙(弧间隙)中会产生一团温度极高、发出强光和能导电的近似圆柱的气体，称为电弧。电弧是一种气体放电的特殊形式，气体放电的形式很多，有电晕放电、辉光放电、火花放电和弧光放电等。当开关触点间发生电弧时，它烧损触点并危及绝缘，在最严重情况下甚至可能引起相间短路，或使开关电器爆炸，形成火灾，影响电力系统安全运行。因此在电器学中研究电弧的目的，主要侧重于掌握电弧产生与熄灭的规律，探索采取适当的措施以熄灭电弧。电弧发现于19世纪初期，那是人们还只懂得将电弧拉长变熄灭。近数十年来，对电弧的研究发展较快，电弧的数学模型日益受到重视，利用电子计算机可以计算电弧的动态过程及有关参数。但由于电弧过程的复杂性，要正确地设计灭弧，还必须大量的科学实验以及从生产实践中不断总结提高。

发明内容

本发明的发明目的就在于提供一种三相电子超导型固态继电器，本发明针对现有技术中的缺陷所设计，具有以下特点：1安装方便不发热无需散热装置占用空间少。2自身耗能小(小于7.5W)。3应用使用范围宽(交流款，控制电压7-450V。直流款，控制电压3-60V)。4可以直接使用启动、停止按钮控制不需要辅助电源就可以控制主回路。5增加入缺相保护功能，有效保证用电设备的安全运行。

实现上述发明目的本发明的技术方案为：本发明三相电子超导型固态继电器包括辅助电源电路，宽电压恒流驱动电路，时序控制电路，三组由一个汽车继电器和一个固态继电器构成的固态继电器电路一、二、三，以及缺相保护检测电路；辅助电源电路输出电压信号分别连接到时序控制电路和各汽车继电器上，宽电压恒流驱动电路的输出端连接到时序控制电路的输入端，时序控制电路的输出端通过一继电器驱动分别连接到三组固态继电器电路一、二、三的汽车继电器上，各组汽车继电器的常开触点分别与各组固态继电器的可控硅输出端口连接，汽车继电器的输出与固态继电器的输出并联，缺相保护检测电路的检测输出端分别连接在三组固态继电器电路中汽车继电器的常开触点上；

辅助电源电路包括辅助电源交流端口，1000V整流电路，电源管理芯片，高频变压器，三端稳压器，或者包括辅助电源直流端口，电源管理芯片，高频变压器，三端稳压器；宽电压恒流驱动电路包括控制输入交流端口，1000V整流电路和宽电压恒流驱动芯片，或包括控制输入直流端口和宽电压恒流驱动芯片；时序控制电路包括光电耦合器，施密特整形输出电路一，施密特整形输出电路二，施密特整形输出电路三，施密特倒向输出电路是，施密特整形输出电路四，施密特同向输出电路，施密特整形输出电路五和启动复位作用的施密特整形输出电路六，固态继电器包括可控硅和光电隔离器；

所述辅助电源交流端口连接1000V整流电路的输入端，1000V整流电路的输出端连接电源管理芯片的输入端或者辅助电源直流端口直接连接电源管理芯片的输入端，电源管理芯片的输出端连接高频电压器的输入端，高频电压器的输出端一路分别连接三组固态继电器电路中的汽车继电器，高频电压器的输出端另一路连接三端稳压器的输入端，三端稳压器的输出端连接时序控制电路中的各施密特输出电路给其提供稳定电压信号；

所述宽电压恒流驱动电路中控制输入交流端口连接1000V整流电路的输入端，1000V整流电路的输出端连接宽电压恒流驱动芯片的输入端，或控制输入直流端口直接连接宽电压恒流驱动芯片的输入端；

宽电压恒流驱动芯片的输出端连接时序控制电路中光电耦合器的输入端，光电耦合器的输出端连接施密特整形输出电路一的输入端，施密特整形输出电路一的输出端一路分别连接到施密特整形输出电路三和施密特整形输出电路四的输入端，施密特整形输出电路一的输出端另一路连接施密特整形输出电路二的输入端，施密特整形输出电路三的输出端连接到施密特倒向输出电路的输入端，倒向输出电路的输出端通过施密特整形输出电路五输出分别连接到三组固态继电器电路中的光电隔离器上，施密特整形输出电路四的输出端连接到施密特同向输出电路的输入端，施密特同向输出电路的输出端通过施密特整形输出电路五输出分别连接到三组固态继电器电路中的光电隔离器上，施密特整形输出电路二通过施密特整形输出电路五输出连接到三组固态继电器电路中的固态继电器的光电隔离器，启动复位作用的施密特整形输出电路六的输出端一路连接施密特整形输出电路一，启动复位作用的施密特整形输出电路六的输出端另一路连接施密特整形输出电路五；三组固态继电器电路中光电隔离器输出信号连接控制可控硅，固态继电器的可控硅输出端口与汽车继电器的的常开触点并联，固态继电器的可控硅输出端口与汽车继电器的输出端口并联输出。

本发明的设计工作原理：连接交流电85-260V辅助开关电源工作输出稳定的12V共控制电路使用。在输入端输入交流或直流7-450V12-0.1MA控制电压。恒流驱动电路向光电耦合隔离器提供10MA的发光电流。光电隔离器输出端导通。导通信号经过时序分配器输出两路逻辑信号，第一路先让两个单向可控硅导通，可控硅导通后继电器触点间电压很低，低于80A的电流，可控硅两端最大压降1.5Vrms继电器吸合由于1.5Vrms电压远远低于电弧产生的条件所以不会产生电弧。第二路信号使继电器吸合。继电器吸合10mS后第一路信号断开可控硅截止。可控硅的导通时间短，只有不到10mS所以发热量很小。控制端断开交流或直流控制电压后。第一路先输出信号可控硅导通分流继电器触点间电压电流80A1.5Vrms继电器触点断开。触点断开时(80A1.5Vrms)低于电弧产生条件，触点间没有电弧。汽车继电器断开同时第一路延时5毫秒被控回路过零关断，完成整个控制过程。

宽电压恒流驱动：

超导型固态继电器分交流直流两款，控制输入端口，输入电压交流款(交流直流两用)输入电压7-400V通过1000V0.5A整流桥，整流LC滤波后给HV9910HLRC组成的10mA恒流驱动提供电源(直流款使用SW5305芯片和RCL组成10mA恒流源)10mA恒定电流给光电耦合器提供了稳定的工作条件。

时序控制器电路工作原理。通电CR和施密特内部的B和C组成启动复位电路，通过D5D6强行使输出端的(强干扰和不确定的信号主被关闭)回路关闭锁定。时序控制。控制输入端口输入电压7-400V光电耦合器接收到10mA启动信号，输出端3，4脚从高阻变为低阻R两端电压从0变为1。U2A对信号整形后2脚输出方波开启信号。2脚输出方波信号从0变为1通过C使R量端电压瞬间从0变为1。U2E和F(倒相)瞬间输出10mS的导通信号再通过可控硅驱动耦合器让可控硅先导通。同时U2A对信号整形后2脚输出方波开启信号通过R3C2构成延时电路U2B.C4.6脚输出再通过D1U3D.E.F10脚8脚输出继电器开启信号使继电器比可控硅延时几秒后吸合(由于可控硅先导通继电器触点两端电压很低)(电弧条件。电压超过12～20V,被断开的电流超过0.25～1A)起到继电器触点无电弧接通的目的。

控制输入端口(交流直流两用款)输入电断开7-400V电源时序控制电路中光电耦合器无电流通过(关闭信号)无导通信号，输出端3，4脚从高阻变为高阻R1两端电压从1变为0。通过C使R两端从0变为1施密特瞬间输出1的可控硅导通信号使可控硅导通。由于电容C两端电压不能突变。可控硅一直导通。直到经过R电阻向C充电1/2以上时可控硅才关闭。时间大约10mS与此过程同时U2A对信号整形后2脚输出方波开启信号被关闭通过R3C2构成放电延时电路U2B.C4.6脚输出再通过D1U3D.E.F10脚8脚输出继电器开启信号被关闭使继器滞后与可控硅导通几秒断开触点。由于可控硅的导通触点两端电压低于电弧的起弧条件，所以继电器触点无弧断开。起到继电器无弧大电流接通断开作用。

辅助电源电路

辅助电源端口，交流款和直流款输入电压85-260V通过软起动电阻和3A保险丝共模滤波进入1000V1A整流桥在经过电容滤波平滑后。输出100-350V的直流电压在通过由TOP224Y和高频变压器等原件构成AC-DC转换器(离线开关)输出稳定+12V的电压，向继电器和时序控制电路提供所需的电能。

本发明的有益效果为：本发明是针对现有技术中的缺陷所设计的，具有以下特点：1安装方便不发热无需散热装置占用空间少。2自身耗能小(小于7.5W)。3应用使用范围宽(交流款，控制电压7-450V。直流款，控制电压3-60V)。4可以直接使用启动、停止按钮控制不需要辅助电源就可以控制主回路。5又增加入缺相保护功能。缺相保护功能是由电阻整流管稳压管RD和逻辑芯片CD4023组成，有效保证用电设备的安全运行。

下表为本发明和三相普通固态继电器进行比较的数据

参照上表数据可以看出：

1安装不需要散热器和散热用风扇这可以减小体积由于基本不发热可以延长设备的寿命。

2自身耗电少一只继电器一天(8小时满负荷)。就能减少耗电约2千瓦。

3使用范围宽。交流款，可以直接使用启动，停止按钮。使用220或380V的电压进行控制操作不用另加辅助电源。直流款可以直接替代交流接触器。

4设计了缺相保护可以有效防止三相用电设备由缺相给设备损害。

附图说明

图1为本发明实施例的原理方框图。

具体实施方式

如附图所示本发明实施例三相电子超导型固态继电器包括辅助电源电路，宽电压恒流驱动电路，时序控制电路，三组由一个汽车继电器(可采用的型号为JD2912-1H-12V)和一个固态继电器(其可控硅采用的型号为BTA41-600)构成的固态继电器电路一、二、三，以及缺相保护检测电路,缺相保护检测电路采用常规的缺相保护电路，一般由电阻、整流管、稳压管和逻辑芯片(采用的型号为CD4023)组成；辅助电源电路输出电压信号分别连接到时序控制电路和各汽车继电器上，宽电压恒流驱动电路的输出端连接到时序控制电路的输入端，时序控制电路的输出端通过一继电器驱动分别连接到三组固态继电器电路一、二、三的汽车继电器上，各组汽车继电器的常开触点分别与各组固态继电器的可控硅输出端口连接，汽车继电器的输出与固态继电器的输出并联，缺相保护检测电路的检测输出端分别连接在三组固态继电器电路中汽车继电器的常开触点上；

辅助电源电路包括辅助电源交流端口或直流端口，1000V整流电路(配直流端口的无需整流电路)，电源管理芯片(可采用的型号为TOP224Y)，高频变压器(可采用的型号为EI25)，三端稳压器(可采用的型号为LC7550)；宽电压恒流驱动电路包括控制输入交流端口或直流端口，1000V整流电路(配直流端口的无需整流电路)和宽电压恒流驱动芯片(可采用的型号为交流HV9910H,直流SW5305)；时序控制电路包括光电耦合器(可采用的型号为PC817)，施密特整形输出电路一，施密特整形输出电路二，施密特整形输出电路三，施密特倒向输出电路是，施密特整形输出电路四，施密特同向输出电路，施密特整形输出电路五和启动复位作用的施密特整形输出电路六(上述各施密特电路采用一般的常规电路即可)。

所述辅助电源交流端口连接1000V整流电路的输入端，1000V整流电路的输出端连接电源管理芯片的输入端或者辅助电源直流端口直接连接电源管理芯片的输入端，电源管理芯片的输出端连接高频电压器的输入端，高频电压器的输出端一路分别连接三组固态继电器电路中的汽车继电器，高频电压器的输出端另一路连接三端稳压器的输入端，三端稳压器的输出端连接时序控制电路中的各施密特输出电路给其提供稳定电压信号；

所述宽电压恒流驱动电路中控制输入交流端口连接1000V整流电路的输入端，1000V整流电路的输出端连接宽电压恒流驱动芯片的输入端，或控制输入直流端口直接连接宽电压恒流驱动芯片的输入端；

宽电压恒流驱动芯片的输出端连接时序控制电路中光电耦合器的输入端，光电耦合器的输出端连接施密特整形输出电路一的输入端，施密特整形输出电路一的输出端一路分别连接到施密特整形输出电路三和施密特整形输出电路四的输入端，施密特整形输出电路一的输出端另一路连接施密特整形输出电路二的输入端，施密特整形输出电路三的输出端连接到施密特倒向输出电路的输入端，倒向输出电路的输出端通过施密特整形输出电路五输出分别连接到三组固态继电器电路中的光电隔离器上，施密特整形输出电路四的输出端连接到施密特同向输出电路的输入端，施密特同向输出电路的输出端通过施密特整形输出电路五输出分别连接到三组固态继电器电路中的光电隔离器上，施密特整形输出电路二通过施密特整形输出电路五输出连接到三组固态继电器电路中的固态继电器的光电隔离器，启动复位作用的施密特整形输出电路六的输出端一路连接施密特整形输出电路一，启动复位作用的施密特整形输出电路六的输出端另一路连接施密特整形输出电路五；三组固态继电器电路中光电隔离器输出信号连接控制可控硅，固态继电器的可控硅输出端口与汽车继电器的的常开触点并联，固态继电器的可控硅输出端口与汽车继电器的输出端口并联输出。

Claims (2)

1.三相电子超导型固态继电器，其特征在于：该超导型固态继电器包括辅助电源电路，宽电压恒流驱动电路，时序控制电路，三组由一个汽车继电器和一个固态继电器构成的固态继电器电路一、二、三，以及缺相保护检测电路；辅助电源电路输出电压信号分别连接到时序控制电路和各汽车继电器上，宽电压恒流驱动电路的输出端连接到时序控制电路的输入端，时序控制电路的输出端通过一继电器驱动分别连接到三组固态继电器电路一、二、三的汽车继电器上，各组汽车继电器的常开触点分别与各组固态继电器的可控硅输出端口连接，汽车继电器的输出与固态继电器的输出并联，缺相保护检测电路的检测输出端分别连接在三组固态继电器电路中汽车继电器的常开触点上。

2.根据权利要求1所述的三相电子超导型固态继电器，其特征在于：辅助电源电路包括辅助电源交流端口，1000V整流电路，电源管理芯片，高频变压器，三端稳压器，或者包括辅助电源直流端口，电源管理芯片，高频变压器，三端稳压器；宽电压恒流驱动电路包括控制输入交流端口，1000V整流电路和宽电压恒流驱动芯片，或包括控制输入直流端口和宽电压恒流驱动芯片；时序控制电路包括光电耦合器，施密特整形输出电路一，施密特整形输出电路二，施密特整形输出电路三，施密特倒向输出电路，施密特整形输出电路四，施密特同向输出电路，施密特整形输出电路五和启动复位作用的施密特整形输出电路六，固态继电器包括可控硅和光电隔离器；

所述辅助电源交流端口连接1000V整流电路的输入端，1000V整流电路的输出端连接电源管理芯片的输入端或者辅助电源直流端口直接连接电源管理芯片的输入端，电源管理芯片的输出端连接高频电压器的输入端，高频电压器的输出端一路分别连接三组固态继电器电路中的汽车继电器，高频电压器的输出端另一路连接三端稳压器的输入端，三端稳压器的输出端连接时序控制电路中的各施密特输出电路给其提供稳定电压信号；

所述宽电压恒流驱动电路中控制输入交流端口连接1000V整流电路的输入端，1000V整流电路的输出端连接宽电压恒流驱动芯片的输入端，或控制输入直流端口直接连接宽电压恒流驱动芯片的输入端；

宽电压恒流驱动芯片的输出端连接时序控制电路中光电耦合器的输入端，光电耦合器的输出端连接施密特整形输出电路一的输入端，施密特整形输出电路一的输出端一路分别连接到施密特整形输出电路三和施密特整形输出电路四的输入端，施密特整形输出电路一的输出端另一路连接施密特整形输出电路二的输入端，施密特整形输出电路三的输出端连接到施密特倒向输出电路的输入端，倒向输出电路的输出端通过施密特整形输出电路五输出分别连接到三组固态继电器电路中的光电隔离器上，施密特整形输出电路四的输出端连接到施密特同向输出电路的输入端，施密特同向输出电路的输出端通过施密特整形输出电路五输出分别连接到三组固态继电器电路中的光电隔离器上，施密特整形输出电路二通过施密特整形输出电路五输出连接到三组固态继电器电路中的固态继电器的光电隔离器，启动复位作用的施密特整形输出电路六的输出端一路连接施密特整形输出电路一，启动复位作用的施密特整形输出电路六的输出端另一路连接施密特整形输出电路五；三组固态继电器电路中光电隔离器输出信号连接控制可控硅，固态继电器的可控硅输出端口与汽车继电器的的常开触点并联，固态继电器的可控硅输出端口与汽车继电器的输出端口并联输出。