固态继电器反时限特性曲线的分析与实现
翁丽靖 , 王 莉 , 王志强
()南京航空航天大学 自动化学院 , 江苏 南京 210016
Analysis and Implementation of Inverse2time Characteristic
f or Sol id State Relay
W EN G Li2jing , WAN G Li , WAN G Zhi2qiang ( )Nanjing U niversit y of Aero nautics and Ast ro nautics , Nanjing 210016 , China
Abstract : Three curve2fit ting met hods of inverse2time character2 机等多种负载 。以 MO SF E T 作为主功 率 开 关 的 固 istic are int roduced and co mpared by simulatio n and experiment s 态继电器 , 其电路的基本原理如图 1 所示 。respectively. Test result s show t hat t he inverse2p roportio n curve
2 realized by differential circuit s can fit t he IT curve well and
higher accuracy can also be gained.
Key words : over2current p rotectio n ; t rip characteristic ; inverse2
2 time ; IT curve
摘要 : 介绍 3 种反时限特性曲线的拟合方法 , 通过仿真和实
验进行了比较 。实验证明 , 由差动电路实现的反比例曲线可 图 1 固态继电器基本原理图 2 以对 IT 曲线进行较好的拟合 , 并具有较高的精度 。如图 1 , 固态继电器主要由逻辑电路 、光耦隔 2 关键词 : 过流保护 ; 跳闸特性 ; 反时限 ; IT 曲线离驱动电路及过流保护电路组成 。由输入控制信号 中图分类号 : TM77 文献标识码 : A 控制固态继电器的开通和关断 , 由此实现其对负载
回路的开关作用 。其中 , 光耦隔离驱动电路实现了
控制回路与负载回路的隔离作用 ; 过流保护电路作 长期以来 , 各种不同特性的反时限固态继电器 为电流闭环在负载过流时向逻辑电路反馈跳闸信号 , 得到了广泛的应用 。选择合适
规格
视频线规格配置磁共振要求常用水泵型号参数扭矩规格钢结构技术规格书
的固态继电器是 从而关断功率管实现过流保护功能 。 保护电线和负载的基本要求 , 应该根据其不同的过 固态继电器是对负载实现开关功能的 , 由于负 载电流保护特性进行选择 。本文介绍了几种反时限 载的过载能力呈反时限特性 , 所以固态继电器实现 过流保护特性曲线的拟合方法 , 并通过在具体电路 的保护应与负载特性相配合 ,即在其正常的开关功能
之外 ,还必须对负载实现反时限过流保护 。所谓反时 上仿真和实验进行了验证比较 。实验证明 , 由差动
2 限过流保护 ,即对应于负载不同的过流故障状态 ,固 电路实现的 IT 曲线具有较好的拟合精度 , 而且可 态继电器应该能识别过载电流的大小 ,经过不同的时 以推广到高次幂函数曲线的拟合 , 在小型固态继电 间延迟 ,闭环控制关断 MO SF E T 。过载电流越大则 器反时限过流保护中具有很好的应用价值 。保护延迟时间越小 ,严重过流时立即保护 ,从而实现
反时限特性的自保护 。固态继电器的过流保护特性 1 固态继电器的工作原理 ( ) 是指负载电流与跳闸延迟时间的关系 I = f t , 也可
以用负载电流相对于额定电流的倍数与跳闸延迟时
( ) 固态继电器 Solid State Relay是一种新型的 ( ) 间的关系来表示 , 即 I/ Ie = f t 。其中 , 跳闸延迟时 与逻辑电路及半导体电路兼容的继电器 , 它替代了
传统的电磁式继电器及电磁式接触器 , 是一种无触
点的电子开关 , 适用于电感 、电阻 、白炽灯 、电动
特性曲线示意图如图 2 所示 。 t 为由 I C输出高电平 V 对电容 C 充电产 设 1 1 H
生的跳闸延迟时间 ; t 为由 I C, I C输出高电平目前 , 常 2 1 2 用的反时限过电流 产生的跳闸延迟时间 ; t 为由 I C, I C,I C均输 3 1 2 3
继电器仍然是电磁 出高电平产生的跳闸延迟时间 , 则有
式或静态式 , 其感 V H ( )t = R Cln1 1 1 V V - ref4H 应型的反时限特性 V H 图 2 反时限过流保护示意图 离散度较大 , 且整 ( ) ( )2 t = R / / R Cln 2 1 2 V -V H ref4定较困难 。本文针对小型固态继电器的反时限过流 V H ( ) ( )t = R / /R / / R Cln3 保护电路进行了研究 , 从体积小 、成本低 、动作灵 3 1 2 3 V - V H ref4 敏且整定值可调方面考虑 , 讨论了其过流保护特性 t < t < t , 由此实现了反时限的跳闸保护特 3 2 1 曲线的几种拟合方法 , 并进行了仿真和实验验证 。性 。由于该电路中只取了三段比较延时 , 故输出的
特性曲线与三段定时限继电器的跳闸延时输出曲线 2 反时限过流保护特性曲线的拟合法 类似 。为了拟合负载对不同过载电流下的跳闸延时
要求 , 应该将比较电路细化 , 取多段比较 , 从而实 当负载电流超过负载允许的最大电流时 , 固态
现多个不同点的精确延时 , 使得由点拟合法实现的 继电器必须进行过流保护 。不同的负载对保护曲线 过流保护电路具有较高的拟合精度 。 有不同要求 , 因此必须对过流保护曲线进行拟合 。 212 指数曲线拟合法
下面介绍几种简单实用的曲线拟合方法 : 点拟合法 、 点拟合法可以对多个不同点实现精确延时 , 但 指数曲线拟合法以及反比例曲线拟合法 。 是为了拟合一条完整的反时限曲线 , 需要用到多段 [ 1 ]211 点拟合法 比较 , 电路的复杂程度大大增加 。与点拟合法相对
由电流采样电路对负载电流进行采样 , 并将电 应的是线拟合法 , 即利用多段曲线拟合反时限跳闸 流信号转换成电压信号 , 输出到过流保护电路中 。 延时曲线 。指数曲线拟合法就是一种比较常用的线
拟合法 , 其电路拓扑如图 4 所示 。 过流保护电路根据负载要求对该电压进行各级比较
和相应的时间延迟 , 输出跳闸信号 。如图 3 所示 ,
U 为电流采样电路的输入电压 , 线性反应负载电流i
的大小 , I C, I C为比较器 , 其基准电压V < 1 5 ref1
输出电压 U 为跳闸信号 , 低 V < V < V ; o ref2 ref3 ref4
电平有效 , 反馈到主电路断开固态继电器 。
当负载正
常 时 , U 较 i
小 , 各级比较
器的输入电压 图 4 由指数曲线拟合法实现的过流保护电路 均小于基准电
如图 4 , U 经过不同的积分延迟后输入到比较 i 压 , 输 出 U o
为高电平 , 固 器 I C, I C的 反 相 端 , 时 间 常 数 R C< R C。 1 2 2 2 1 1 态继电器不跳 当负载正常时 , U 输出为高电平 , 固态继电器不 o
跳闸 。当 负 载 过 流 时 , U 经 过 延 迟 输 入 到 I C, i 1 图 3 由点拟合法实现的过流保护电路 I C反相端 , 其电压值大于一个或几个基准电压时 , 2 闸 。随着负载 相应的比较器输出低电平 , U 输出跳闸信号 。当 o 电流的增大 , U 增大 , 当 U 大于 I C, I C, I C i i 1 2 3负载严重过流时 , 比较器 I C立即输出低电平 , 固 3 中一个或者多个比较器的基准电压时 , 对应的比较 态继电器实现立即保护 。
正常情况下 , 固态继电器工作在额定负载状态 , 器输出高电平 , 经过电容 C 的积分延迟 , 输出 U o此时 U = U 。设 t 为由 I C延迟输出低电平产生 i e 1 1 为低电平 , 固态继电器跳闸自保护 。当负载严重过的跳闸延迟时间 , t 为由 I C, I C都延迟输出低 2 1 2 流时 , U 大于 V , 比较器 I C立即输出低电平 ,i ref4 4
固态继电器实现立即保护 。
V R C U - U U - U i e i e ref3 1 1( ) ( ) t = R Cln4 t = t + t = R Cln+6 1 1 11 11 12 1 1 V V V U - U - U - ref1 i ref1i i ref1
U - U V R C i e ref3 1 1U - U U - U i ei e( ) + t = min { R Cln, 2 1 1( ) 5 t = min{ R Cln, R Cln }2 1 12 2U -V U -V i ref1i ref1 U -U -V V ref1 i i ref1 U - U V R Ci e ref3 3 3 可见随着负载电流的增大 , U 增大 , 跳闸延迟 i ( ( )) 7 R Cln } + 3 3U - U - V V i i ref2 ref2 时间减小 , 由此实现了固态继电器的反延时跳闸保 可见由差动电路实现的跳闸曲线由两部分组成 , 护特性 。指数曲线拟合法从线的角度对跳闸曲线进 第一部分为对数函数 , 第二部分为反比例函数 。对 行拟合 , 电路结构简单 , 在一般的反时限延时中有 数函数所占的比例很小 , 因此 , 差动积分电路实现 较广泛的应用 。为了拟合负载对不同过载电流下的 的跳闸曲线近似于反比例曲线 。由 t , t 实现的反 1 2 , 可以多取几段比较 , 跳闸延时要求 使得输出跳闸 比例曲线对二次曲线进行拟合 , 曲线如图 6 所示 。 延迟曲线具有较高的精度 。 图 6 中 , 曲线 213 反比例曲线拟合法1 为由两段反比例 指数曲线拟合法电路简单易实现 , 但是由于指 曲线拟合的跳闸曲 数曲线开口大且两端较平滑 , 若由其来拟合二次函 线 。若将同相端的 数曲线 , 则具有较大的缺陷 。因此 , 在点拟合法和 时间延迟忽略 , 则 指数曲线拟合法的思想上加以改进 , 采用由差动电 曲线如图 6 中曲线 路实现的反比例曲线来拟合二次曲线 , 如图 5 所示 。 2 所示 。可见同相 端积分延迟的影响 图 6 跳闸特性曲线理论值 相当小 , 即由差动
积分电路实现的跳闸曲线可以作为近似的反比例曲
线来拟合二次曲线 。
因为反比例曲线是幂函数曲线 , 所以它不但可
以用来拟合二次曲线 , 还可以用来拟合其他幂函数
曲线 。图 5 所示电路只取了两段差动积分 , 若要使 拟合的曲线具有较高的精度 , 可以适当多取几段 。 图 5 由反比例曲线拟合法实现的过流保护电路
如图 5 , 由 2 个差动积分电路和 3 个比较电路 反时限过流保护特性曲线的仿真与 3 [ 2 ] 构成了 跳 闸 定 时 电 路。当 负 载 正 常 时 , A , A 1 2 实验的输 出 为 零 , U 为 高 电 平 , 固 态 继 电 器 不 跳 闸 。 o 由以上分析可见 , 小型固态继电器的反时限过 当负载过流时 , U 经过延迟输入到 A , A 同相 i 1 2
端 , 其电压值大于 1 个或几个基准电压时 , 相应的 流保护电路结构简单 , 用户可以根据不同的系统要 运算 放 大 器 输 出 电 压 开 始 线 性 上 升 , 当 其 上 升 到 求设计出具有不同特性曲线的跳闸延时电路 。 在一
2 些关键线路中 , 具有 IT 形状的跳闸曲线 V 时 ,后级的比较器输出低电平 , U 输出跳闸 [ 1 ] ref3o 是保护系统的最佳选择。这是因为线路的功率损信号 。当负载严重过流时 , 比较器 I C立即输出低 3 耗等于线阻与负载电流平方的乘积 , 而线路的温度
电平 , 固态继电器实现立即保护 。是由线耗时间长短决定的 , 这样 , 在相同时间内线
如图 5 所示 , 差动电路为对称形式路的温度与电流的平方成正比 。假如跳闸曲线具有
R = R , R = R , C= C, C= C 2 1 2 3 4 1 2 3 4与供电线相同的 IT 特性 , 那么固态继电器就能够 当负载过流时 , 运放同相端电容电压从额定状 精确地推算出由于过载引起的线路的温度上升 , 并 态 U 上升 , 当其大于基准电压时 , 反相端的电容 e 在线路超温破坏之前移去负载电流 。因此 , 对于固 开始积分 , 放大器输出电压线性上升 。因此 , 由差 2 态继电器对关键线路的保护 , IT 形状的跳闸曲线分积分电路实现的跳闸延迟时间应该为两段积分时
间的和 。设 t 为由 A 产生的跳闸延迟时间 , t 为 1 1 2 是一种最佳选择 。这种反映过热状态的过流保护 ,由 A , A 产生的跳闸延迟时间 , 则有 采用 的 是 极 端 反 时 限 的 过 流 保 护 特 性 。极 端 反 时
[ 3 ]
精确度要求不高的反时限电路中 。 80 T o ( )t = 8 2 ( ) I / I- 1 () p 图 7 c所 示 拟 合 曲 线 显 然 具 有 较 理 想 的 效
2 式中 : t 为跳闸延迟时间 ; T为延时整定系数 ; I 为负果 , 对 I T 曲线的拟合精度为 14140 % , 实验相对 p
载电流 ; I为整定电流值 。该方程可以简单表示为 仿真的误差为 11183 % , 可见由差动电路实现的跳 p
2 A 闸延时电路是实现具有 I T 反时限过流保护电路的 ( )t = 9 2 2 ( ) I/ I- B e最佳选择 。差动输入对电路的对称性要求较高 , 所 式中 : A , B 为整定系数 。可见 , 极端反时限的跳 以电路参数的精度将影响实验拟合精度 。 闸时间为 I/ I的二次函数 , 由不同的 A , B 可以确 e 3 个实验的拟合测量精度均不十分理想 , 影响
2 定不同的 IT 跳闸曲线 。 精度的主要原因有 :
某关键线路要求固态继电器实现三段式过流保() 1实验中点拟合取了 4 段比较 , 指数拟合与
2 护 : 正常负载下不保护 ; 过载时拟合 IT 曲线实现 反比例拟合只取 2 段比较 , 若适当增加比较电路 , 反时限过流保护 ; 严重超载时立即保护 。利用本文 可以取得更高的拟合精度 ;
介绍的 3 种方法进行拟合 , 跳闸曲线如图 7 所示 。 () 2由于实验条件有限 , 实验中各电阻 、电容等电
( ) 路参数的精度较低 其中电阻为常用电阻, 精度 5 %,
若提高电路参数的精度 ,拟合精度将得到很大提高 。
4 结 论
本文分析介绍了固态继电器反时限过流保护电
路的 3 种拟合方法 , 并分别进行了仿真与实验 , 结
果表明 :
( ) 1由点拟合法实现的延时保护电路可以实现
对多个定点的精确延时 ;
( ) 2由指数曲线拟合法实现的延时保护电路结
构简单 , 易实现 , 可应用在对点精度要求不高的反
时限延时电路中 ;
( ) 3由反比例曲线拟合法实现的延时保护电路
2 可以较好地对 IT 曲线进行拟合 , 而且由于其自身
的幂函数曲线特性 , 不但可以拟合二次曲线 , 还可 以对其它幂函数曲线进行较好的拟合 。 2 图 7 具有 IT 形状的过流保护曲线拟合
参考文献 : 图 7 给出了由 3 种方法实现的 3 组曲线 , 其中 ,
“仿 真 值”表 示 由 给 定 电 路 参 数 仿 真 得 到 的 曲 线 , 1 丛林 ,李扬 1 带有固态继电器的限流保护电路设计 J 1 2 () 机械与电子 ,1999 , 3:57 - 591 “实验值”表示实验得到的曲线 , “ I T 曲线”为所
2 王树璋 1 固态直流功率控制器 D : 南京航空 1 南京 要拟合的目标曲线 。 航天大学 , 19881 2 ( ) 如图 7 a, 点拟合法对 I T 曲线的拟合有较
3 宋斌 1 具有不同特性的微机反延时 过 流 继 电 器 的 实 现 大误差 。这是因为点拟合法是对离散点的拟合 , 它 () J 1 电力系统自动化 , 2001 , 17: 57 - 591 对确 定 点 的 拟 合 精 度 较 高 , 可 达 10156 % , 但 对
2 I T 曲线的拟合误差却高达 176126 % 。因 此 ,点 ( ) 作者简介 : 翁丽靖 1980 - , 女 , 福建莆田人 , 南京航空航天 ( 大学硕 士 生 , 从 事 电 力 电 子 与 电 力 传 动 方 面 的 研 究 ; 王 莉 1969 拟合法仅应用于多时段的定时延时 。2 ) - , 女 , 河南洛阳人 , 南京航空航天大学副教授 , 从事电力电子与 ( ) 由图 7 b, 指数曲线拟合法对 IT 曲线的拟合 电力传动方面的研究 。 精度为 68149 % , 实验相对仿真的误差为 12170 %。
由图可见 , 曲线中部有较大偏移 , 但总体拟合程度
X X X X X 较好 且因其电路简单 故广泛应用在对拟合曲线
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