固態繼電器在爐溫控制系統改造中的應用

摘要：針對工廠常用烘干設備及熱處理設備的原控制系統進行了分析。著重闡述了固態繼電器的原理、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，應用于現場實際。有效提高了控溫精度，而且改善了工作環境。
關鍵詞：熱處理爐；爐溫控制；固態繼電器

The Application of SSR to Modification of Furnace Temperature Control System
ZHANG Wei , ZHOU Xin-fang

在工廠生產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，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展，現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改造。在改造過程中借鑒國外技術，新系統采用三表分離，測溫點采樣多，分布均勻，控溫精度高，一般在±2％以內。特別是采用固態繼電器以后，既降低了噪音又降低了空載損耗。
1 原爐溫控制系統基本情況及工作過程
原爐溫控制系統原理如圖 1 所示，系統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 固態繼電器控制的爐溫系統
2.1 固態繼電器的分類
固態繼電器（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，分為交流固態繼電器、直流固態繼電器和交直流固態繼電器。
交流固態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。
交直流固態繼電器分為光伏耦合器型和磁隔離型。

2.2固態繼電器的原理分析
如圖 2 所示，固態繼電器是用半導體器件代替傳統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 就能從斷態轉變成通態，1從而接通交流或直流電路[1] 。

固態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。

在感性負載的場合，當 SSR由通態關斷時，由于電流、電壓的相位不一致，將產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，只受靜態電壓上升率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。
2.3 固態繼電器的優缺點
與常規使用的交流接觸器比較，固態繼電器有優勢，但也存在導通壓降較大，有斷態漏電流等缺點，具體情況見表1。

2.4 固態繼電器構成的溫控系統
根據過零型交流固態繼電器的特性，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控，控制回路加報警輸出。由于固態繼電器是發熱元件，長時間工作，若沒有好的散熱容易燒毀，本系統在安裝固態繼電器時，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，可自動停止固態繼電器工作，有效保護元件。設計原理如圖4 所示。

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

3 結 語
改造后的系統由于統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，節省能源。目前已在公司數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：機械工業出版社，2000.