固态继电器反时限特性曲线的分析与实现

固态继电器反时限特性曲线的与实现 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 , 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 file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt df机及ov及ojxlkvjlkxcmvkmxclkjlk;jsdfljklem,.xmv/.,mzxlkjvolfdjiojvkldf file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt2012/8/2 16:09:56