固体继电器电气系统峰值测试仪研制与应用

2014-03-05叶明生

机电元件 2014年1期

刘超，叶明生

(中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

1 引言

固体继电器(Solid State Relay，缩写SSR)是由微电子电路、分立电子器件、电力电子功率器件组成的具有继电器特性的无触点开关，它采用半导体器件替代传统的电接触点作为切换装置，属于半导体组成的器件，与半导体器件使用特性一样，都存在耐瞬时系统峰值电压考核问题。在GJB1515A－2001《固体继电器总规范》中，规定了对固体继电器进行电气系统峰值的测试，其目的就是测量固体继电器输出端能够承受的最大迭加的瞬时峰值击穿电压。

2 电气系统峰值试验要求与方法

电气系统峰值测试，是指在规定的环境条件下，固体继电器输入端开路，输出端呈高阻状态，在输出端的额定输出电压之上迭加特定波形和能量的电压，试验时间1min(或按详细规范规定的时间)。试验后，固体继电器仍符合有关规定的要求。

对于固体继电器的电气系统峰值测试，GJB1515A －2001《固体继电器总规范》3.12.29 条款中要求如下:电气系统峰值(当规定时)，固体继电器按4.7.7.23规定进行试验时，应能经受规定的(见3.1)电压而无损坏。"规定的(见3.1)电压"应理解为详细规范规定的电压，如无规定，则按GJB1515A －2001《固体继电器总规范》4.7.7.23 条款中，峰值最小为600V进行试验。

在试验方法上，GJB1515A－2001《固体继电器总规范》4.7.7.23条款中，详细规定了电气系统峰值的试验方法和测试仪器要求如下。

电气系统峰值(只适用于鉴定和周期检验)(仅适用于25℃):

a)按电气系统峰值试验电路图(见图1)所示，将固体继电器接入试验电路;

b)断开S3，闭合S2，循环S1，观察示波器CH1(信道1)(或其它等效仪器)。调整V1，使观察到的峰值最小为600V;

c)接通开关S3，在规定的(见3.1)时间内，以(10±1)次每秒的速率循环开关S1;

d)变换V1的极性，重复(b)和(c);

e)完成上述试验后，测试固体继电器的输出漏电流(按 4.7.7.16)，接通时间(按 4.7.7.13)和关断时间(按4.7.7.14)。"在规定的(见3.1)时间内"解释应为详细规范规定的时间，一般规定为1min。

图1 电气系统峰值试验电路图

3 电气系统峰值测试仪的设计

依据电气系统峰值试验要求与方法，电气系统峰值测试仪的设计应满足以下技术指标要求。

a)电气系统峰值叠加电路，输出电路以及相互隔离电路，介质耐电压≥1000Va.c.;

b)电气系统峰值试验控制定时电路，电子开关S1循环速率(10±1)次每秒，脉宽为50ms，负载占空比为50%，循环定时1min或30min(连续可调);开关S1的负载电流不小于1A(见图1)。

c)0～330V连续可调的直流电源V1的极性变换电路。

根据电气系统峰值测试技术指标的要求，我们设计出以下的电气系统峰值测试仪电路原理图(见图2)。其工作原理如下:

利用微处理器(PIC)预置程序，控制U1、U2交替导通，来控制高压直流固体继电器SSR1、SSR2的交替导通，实现循环速率10次/每秒，脉宽为50ms，负载占空比为50%，循环定时1min或30min(连续可调)。

SSR1导通，SS2关断时，直流电源(0～330V)通过R1对电容C1进行充电;SSR1关断，SS2导通时，电容C1放电，在C1、Np间形成阻尼振荡，产生一个衰减的正弦波，通过空心变压器T1及电感L1耦合到输出端。因此，通过SSR1、SS2之间的循环，按预置的10次/每秒循环速率周期进行转换时，调整直流电源(0～330V)的电压，在SSR的输出端，我们就可以得到一个需要的一定的电压值的周期性的衰减的正弦波。

直流电源(0～330V)极性变换，我们通过K1控制电磁继电器J1的触点，来实现其直流电源正负极性的变换。

工作开始(或停止)用K2开关控制，循环定时1min(或30min连续可调)用K3开关控制。

图2 电气系统峰值测试仪电路原理图

元件参数如下:

C1:2μF，1500Vd.c.;

C2:0.03μF，2000Vd.c.;

C3:10μF，1000Vd.c.;

C4:0.01μF，1000Vd.c.;

R1、R2:100Ω，1W;

R3:1MΩ，0.5W;

S2、S3:KD1;

L1:50 匝，直径51mm，线径1.295mm;

T1:空芯变压器(采用双线绕制)，直径51mm，线径 1.295mm，

Np:20匝，Ns:60匝;

U3:微处理器PIC16F877;

U1、U2:三极管 S8050;

SSR1、SSR2:JG－54F型固体继电器;

J1:JQX－13F型电磁继电器;

K1、K2、K3:KD2(250V/2A)。

4 电气系统峰值测试平台

要实现对固体继电器电气系统峰值的测试，还需配套相关的仪器，组成电气系统峰值测试平台(见图3)，完成对固体继电器电气系统峰值的测试。

a)根据被试固体继电器的负载特性，交流负载还是直流负载，配备相应的交流输入电源(Va.c.)或直流输入电源(Vd.c.);交流输入电源为达到准确性，可采用隔离型变压调压器进行精确调压;直流输入电源要符合被试继电器的参数要求。

b)直流电源(0～330V连续可调)，要求直流电源阻抗远小于R1(100Ω)，满足R1、C1充电时间常数的需要。本测试平台采用的直流电源为:SMD1－350型线性直流稳压稳流电源，规格，电压:350Vd.c.，电流 1Ad.c.;

c)示波器，本测试平台采用泰克TDS210型，规格60MHz、1GS/s示波器;

d)额定负载，本测试平台采用BX70型滑线式变阻器。

图3 电气系统峰值测试平台组成

5 电气系统峰值测试平台的应用

通过电气系统峰值电路原理研究和设计，我们完成了JC－13型固体继电器电气系统峰值测试仪的制造(见图4)，该测试仪完全按照GJB1515A－2001《固体继电器总规范》中的要求制作，电路原理符合GJB1515A－2001中电气系统峰值试验电路图的要求，该测试仪通过检测中心的检验，完全符合GJB1515A－2001军标要求。

图4 JC－13型电气系统峰值测试仪

JC－13型固体继电器电气系统峰值测试仪，与配套的电源、示波器等一起组成了电气系统峰值测试平台，完成了固体继电器电气系统峰值的测试功能。图5是交流负载型固体继电器电气系统峰值测试图，图6是直流负载型固体继电器电气系统峰值测试图，图7是迭加的电气系统峰值衰减的正弦波形图。从图中分析可知，迭加的瞬时最大峰值尖峰脉冲宽度在100微秒左右。