三相交流固态继电器在PLC控制中的应用.docx
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三相交流固态继电器在PLC控制中的应用
摘要
三相交流固态继电器是以单一输入端对三相负载进行直接开关切换，并可以用几毫安的微小信号来控制大功率负载的起动与关断。
本文正是利用三相交流固态继电器的这个特点将其应用到PLC控制中来作为受控对象的开关器件。
固态继电器（SSR）与机电继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。
SSR是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，他利用电子元器件的点，磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。
关键词：
三相交流固态继电器；PLC；电动机
目录
引言1
一、固态继电器的特点及分类1
1.1固态继电器的特点1
1.2固态继电器的分类1
二、固态继电器的组成2
三、固态继电器的优缺点2
3.1固态继电器的优点2
3.2固态继电器的缺点2
四、固态继电器的应用3
五、应用实例4
5.1PLC控制的三相交流电动机正反转控制电路4
5.2PLC控制的Y-△降压起动控制电路5
六、选型使用时应注意事项5
结论9
致谢10
参考文献11
三相交流固态继电器在PLC控制中的应用
引言
PLC为晶体管输出型，输出单元允许所带负载工作电源为DC12～24V，尢法直接驱动交流接触器，只能先驱DC12～24V的中问继电器，再用中间继电器来带AC380V的负载，这样就会使得外部接线变得繁琐，而且由于传统的交流接触器为电磁式开关，其机械触点的寿命及可靠性与PLC控制系统相差甚远，较大地阻碍了控制系统性能的发挥。
因此像这类的负载，我们需要选择一种更为合适的继电器来充当其受控的开关器件。
一、固态继电器的特点及分类
1.1固态继电器的特点
固态继电器SSR是近年来世界上新兴的控制继电器，这种继电器用几毫安的微小信号可以控制大功率负载的起动与关断，正符合了晶体管输出型PLC的特点。
并且其输入信号（控制端）和输出信号（受控端）采用光电隔离电路，保证了输入与输出互不干扰，输出端采用无触点大功率输出电路，整个电路用环氧树脂浇铸为一体。
因此，固态继电器运行时无火花、无噪音、无污染、不产生电磁干扰，比电磁继电器具有开关速度快、体积小、寿命长、耐震、耐腐蚀、防潮、防腐、输出端在接通瞬间无震颤现象等优点，可以在严重污染和震动的环境下使用，更具有很高的灵敏度和抗干扰能力，被广泛应用于石油化工仪器设备，灯光照明设备，纺织机械、数控车床、娱乐设施等各种自动化控制领域，特别适用在腐蚀、防尘、要求防爆等恶劣环境，及频繁开关场合。
1．2固态继电器的分类
交流固态继电器按开关方式分有电压过零导通型和随机导通型；按输出开关元件分有双向可控硅输出型（普通型）和单向可控硅反并联型（增强型）；按安装方式分有印刷线路板上用的针插式（自然冷却，不必带散热器）和固定在金属底板上的装置式（靠散热器冷却）；另外输入端又有宽范围输入（DC3～32V）的恒流源型和串电阻限流型等。
单相SSR为四端有源器件，其中两个输入控制端，两个输出端，输入输出间为光隔离，输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后，输出端就能从断态转变成通态。
而三相交流固态继电器则是集三只单相交流固态继电器为一体，并以单一输入端对三相负载进行直接开关切换，可方便地控制l一相交流电机、加热器等三相负载，图1为三相交流固态继电器的基本接线图。
三相交流固态继电器的相与相问，输入输出间，以及与基板之间绝缘电压大于2000VAC，其他基本指标与相应的单相固态继电器相同。
需要指出的是对实际负载电流不大的场合，比如实验室教学，三相SSR使用起来比较方便，但电流大时发热亦大，这时使用三只单相SSR更为可靠。
控制电源
控制阻性负载
控制三相电动机
阻性或感
性负载
普通使用方法
隔离开关
控制电源
控制电源
断路器
隔离开关
负载电源
负载电源
隔离开关
快速熔断器
负载电源
图1三相交流固态继电器的基本接线图
二、固态继电器的组成
固态继电器有三部分组成:
输入电路，隔离（耦合）和输出电路。
安输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。
有些输入控制电路还具有与TTL/CMOS兼容，正负逻辑控制和反相等功能。
固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。
固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。
交流输出时，通常使用两个可控硅或一个双向可控硅，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。
三、固态继电器的优缺点
3.1固态继电器的优点
（1）高寿命，高可靠:
SSR没有机械零部件，有固体器件完成触点功能，由于没有运动的零部件，因此能在高冲击，振动的环境下工作，由于组成固态继电器的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。
（2）灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好:
固态继电器的输入电压范围较宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。
（3）快速转换:
固态继电器因为采用固体其间，所以切换速度可从几毫秒至几微妙。
（4）电磁干扰笑:
固态继电器没有输入"线圈"，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。
大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。
3.2固态继电器的缺点
（1）导通后的管压降大，可控硅或双相控硅的正向降压可达1~2V，大功率晶体管的饱和压浆液灾1~2V之间，一般功率场效应管的导通电祖也较机械触点的接触电阻大。
（2）半导体器件关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流，因此不能实现理想的电隔离。
（3）由于管压降大，导通后的功耗和发热量也大，大功率固态继电器的体积远远大于同容量的电磁继电器，成本也较高。
（4）电子元器件的温度特性和电子线路的抗干扰能力较差，耐辐射能力也较差，如不采取有效措施，则工作可靠性低。
（5）固态继电器对过载有较大的敏感性，必须用快速熔断器或RC阻尼电路对其进行过在保护。
固态继电器的负载与环境温度明显有关，温度升高，负载能力将迅速下降
四、固态继电器的应用
SSR系列固态继电器螺纹引出端子接线，具备强度高、耐打击、抗震动性强、输入端驱动电流小，可方便与计较机终端数字节制电路接口，广泛应用在石油化工、摄谱仪设备、多种机械、电磁阀节制、数字控制机床、文娱设施等，自己主动化设备。
是交直流接触器的更新换代产物。
特别合用于腐化、潮湿、防光、防爆等很坏情况及频仍开关场所。
固态继电器的基本特征
◇输入信号能与计较机终端及数字思维规律电路兼容
◇设计余量≥160%外貌贴装技术。
◇电气开关寿命大于6×107次。
◇分过零触发和随机触发两种规格。
◇闪光二极管指示工作状况。
◇内置阻容吸收回路。
◇三极可以按照用户要求，增长缺相保护功能。
◇工作情况-20℃-80℃
◇动作应答时间ON＜10ms/OFF。
固态继电器的使用注意事项
1.电阻性负载不能跨越定额电流的60%。
2.电感性或容性负载不能跨越定额电流的40%，在节制感性负载时，必患上思量负载的开始工作性，只管即便选耐电压高的产物，因为感性负载有6倍左右的反峰值电压。
3.固态继电器导通时，两端总有压降，会产生焦耳热尤其是大电流工作时越发凸起，电流10A时必须加装散热器，电流大于40A时，需加风扇强冷或水冷。
4.过流和负载短路可能造成SSR内部可控硅永久性掉效，所以必须加装熔断器或空气开关，小容量可选用保险丝。
5.过压保护可采用并联压敏电阻，按照用户要求也可内置压敏电阻。
固态继电器是半导体部件的组合装配。
它具备无触点，寿命长，可靠性高，使用安全，电磁滋扰小等长处。
它分为直流固态（输出用MOS管、IGBT等节制）和交流固态（输出用可控硅节制）。
底下以交流固态（50A）说明
工作道理：
从DW一、DW2上取出的削顶正弦信号经反相器BG1输出方波再经运算放大器A输出尖峰电子脉冲信号。
尖峰电子脉冲加在D3~D6的交流对于角线与SCR的节制极和负极间，D3~D6的直流对于角线接在光电耦合器的输出端。
当从A、B输入低压小电流信号时，二极管闪光，光敏管导通，于是从A运算放大器中输出的尖峰电子脉冲触发SCR导通，角载RL患上电。
A、B无信号输入时，光电耦合器BG2为止，尖峰电子脉冲通不外而使SCR不能导通。
固态继电器是半导体部件的组合装配。
它具备无触点，寿命长，可靠性高，使用安全，电磁滋扰小等长处。
它分为直流固态（输出用MOS管、IGBT等节制）和交流固态（输出用可控硅节制）。
以下以交流固态（50A）说明
工作道理：
从DW一、DW2上取出的削顶正弦信号经反相器BG1输出方波再经运算放大器A输出尖峰电子脉冲信号。
尖峰电子脉冲加在D3~D6的交流对于角线与SCR的节制极和负极间，D3~D6的直流对于角线接在光电耦合器的输出端。
当从A、B输入低压小电流信号时，二极管闪光，光敏管导通，于是从A运算放大器中输出的尖峰电子脉冲触发SCR导通，角载RL患上电。
A、B无信号输入时，光电耦合器BG2为止，尖峰电子脉冲通不外而使SCR不能导通。
五、应用实例
5.1PLC控制的三相交流电动机正反转控制电路
图2为PLC控制的三相交流电动机正反转控制电路，其中X1、X2、X3，分别表示PLC的输入，控制电动机的转动方向与起停；Y1、Y1表示PLC的输出。
当Y1有效时，SSR1输入端得到DC24V的直流信号，则三相输出端从断态转变成通态，三相交流电动机得电，反转；同理当Y有效时，SSR2的三相输出端接通，因A、c换向则电动机正转。
图2电动机正反转控制电路
5．2PLC控制的Y-△降压起动控制电路
图3为PLC控制的Y-△降压起动控制电路，其中X1、X2分别表示PLC的输入，控制电动机的起停；Y1、Y2、Y3表示PLC的输出。
当Y1和Y3有效时，对应的SSR1和SSR3也同时有效，此时电动机为Y型接法，延时几秒后，Y3失效，Y2有效，则对应的SSR3三相输出端断开，SSR2三相输出端合上，则电动机变为△接法，完成了Y一△降压起动。
图3Y-△降压起动控制电路
六、选型使用时应注意事项
1、在选用小电流规格印刷电路板使用的固态继电器时，因引线端子为高导热材料制成,焊接时应在温度小于250℃、时间小于10S的条件下进行，如考虑周围温度的原因，必要时可考虑降额使用，一般将负载电流控制在额定值的1/2以内使用。
2、各种负载浪涌特性对SSR的选择
许多被控负载在接通瞬间会产生很大的浪涌电流，由于热量来不及散发，很可能使SSR内部可控硅损坏,所以用户在选用继电器时应对被控负载的浪涌特性进行分析,然后再选择继电器。
使继电器在保证稳态工作前提下能够承受这个浪涌电流，选择时可参考表2各种负载时的降额系数（常温下）。
如所选用的继电器需在工作较频繁、寿命以及可靠性要求较高的场合工作时，则应在表2的基础上再乘以0.6以确保工作可靠。
一般在选用时遵循上述原则，在低电压要求信号失真小可选用采用场效应管作输出器件的直流固态继器；如对交流阻性负载和多数感性负载，可选用过零型继电器，这样可延长负载和继电器寿命，也可减小自身的射频干扰。
如作为相位输出控制时，应选用随机型固态继电器。
3、使用环境温度的影响
固态继电器的负载能力受环境温度和自身温升的影响较大，在安装使用过程中,应保证其有良好的散热条件，额定工作电流在10A以上的产品应配散热器，100A以上的产品应配散热器加风扇强冷。
在安装时应注意继电器底部与散热器的良好接触，并考虑涂适量导热硅脂以达到最佳散热效果。
如继电器长期工作在高温状态下（40℃~80℃）时，用户可根据厂家提供的最大输出电流与环境温度曲线数据，考虑降额使用来保证正常工作。
4、过流、过压保护措施
在继电器使用时，因过流和负载短路会造成SSR内部输出可控硅永久损坏,可考虑在控制回路中增加快速熔断器和空气开关予以保护型（选择继电器应选择产品输出保护,内置压敏电阻吸收回路和RC缓冲器,可吸收浪涌电压和提高dv/dt耐量）；也可在继电器输出端并接RC吸收回路和压敏电阻（MOV）来实现输出保护。
选用原则是220V选用500V-600V压敏电阻，380V时可选用800V-900V压敏电阻。
5、继电器输入回路信号
在使用时因输入电压过高或输入电流过大超出其规定的额定参数时,可考虑在输入端串接分压电阻或在输入端口并接分流电阻,以使输入信号不超过其额定参数值。
6、在具体使用时,控制信号和负载电源要求稳定，波动不应大于10%，否则应采取稳压措施。
7、在安装使用时应远离电磁干扰,射频干扰源，以防继电器误动失控。
8、固态继电器开路且负载端有电压时,输出端会有一定的漏电流，在使用或设计时应注意。
9、固态继电器失效更换时,应尽量选用原型号或技术参数完全相同的产品，以便与原应用线路匹配，保证系统的可靠工作。
表1电磁继电器与固态继电器比较
项目
类型
固态继电器（SSR）
电磁继电器（EMR）
灵敏度
输入电压范围宽，驱动功率低，可以和逻辑集成电路兼容不需要加缓冲器或驱动器，具有高灵敏度、控制功率小的特点。
驱动功率＜30mW
控制电压较窄，需加驱动电路灵敏度差，一般在几百毫瓦
寿命和可靠性
无机械运动零部件，可在冲击振动环境工作，由固态器件完成触点功能，具有寿命长、可靠性高特点。
对冲击、振动环境较敏感、触点寿命较短、可靠性较低。
切换速度
切换速度快，几毫秒
切换速度一般大于10ms
电磁干扰
因决大多数交流输出固态继电器输出是一个零电压开关，射频干扰较小
因本身线圈以及触点控制会有较大的电磁干扰
导通压降
导通管压降大，断开有漏电流
导通压降小，接触电阻小，断开无漏电流
控制触点、通用性
固态继电器一般为单刀单掷形式对外控制，如需多组转换控制较难。
交直流通用性差
如对外进行多组控制较关键所在，可交直流通用，在开关控制过程中常伴有几ms到几十ms的抖动。
电源电压输入电压阻性负载电压
电源电压输入电压阻性负载电压
图4过零型固态继电器图5随机型固态继电器
图6直流固态继电器原理
表2
负载类型
电阻
电热
白炽灯
交流电磁铁
变压器
电机
降额系数
1
0.8
0.5
0.5
0.5
2
结论
三相交流固态继电器是集三只单相交流固态继电器为一体，以单一输入端对三相负载进行直接开关切换，并可以用几毫安的微小信号来控制大功率负载的起动与切断的开关器件。
经验证，它能可靠、安全、方便地控制三相交流电机、加热器等三相负载，并使PLC的外部接线变得简单。
致谢
三年的学习生活转瞬即逝,让人有些措手不及的感觉,好象还没开始就已经结束。
时间的流逝其过程中经历的坎坷使一个人慢慢成熟，因而我对过去的日子和给过我鼓励、帮助的人们总是心怀感激，并让我倍加珍惜未来的生活。
在最后的一段时间里是最考验我们的时候.毕业设计是我们在大学里的最后一课,任务非常艰巨,要求也很严格.通过本次毕业设计，使我对以前所学知识进行了一次系统而全面的巩固和复习。
在此次的毕业设计中,我遇到了许多的困难。
在学校各个部门及老师和同学的帮助下我完成了毕业设计，因此我真诚的向那些给我帮助和指导的部门和个人致意我的谢意。
首先要感谢学院和机电工程系,为我们能较好进行设计提供了很多的帮助，为我们能顺利进行毕业设计提供了前提。
还应该感谢学校图书馆,给我们提供了大量的资料,对我解决设计中碰到的问题提供了很大的帮助。
其次,要感谢我们的设计指导老师，本次毕业设计是在他的悉心指导下展开的。
从设计题目的提出到论文的完成，老师都在关注我们的进度，老师一丝不苟的治学态度和高度的责任感，在做毕业设计的过程中时刻影响和教育着我，使我难忘和感动。
在此论文完成之际，谨向老师致以最衷心的感谢。
那丰富的专业知识和经验以及对专业孜孜不倦的敬业态度让我感触很深。
他给予了我们充分的指导，并且还培养了我们独立思考问题的能力。
从他身上,我不仅学到了很多专业方面的知识,还学到了一种严谨的求知精神。
所有这些都将成为我们以后继续学习的榜样。
参考文献
[1]贾畅鹏．交流固态继电器在自动控制系统中的应用[J]．煤矿机械，2007，28
（2）．
[2]张桂香．电气控制与PLC应用[M]．北京：
化学工业出版社，2003．
[3]胡鹏程．交流固态继电器及其在电机可逆运转中的应用[J]．电工技术杂志，2000（5）．
[4]施涛昌．固态继电器及其在开关电路中的应用[J]．江苏电器，1994（3）．
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