专利名称：一种新型的针对三相交流电机运行方向控制的固态继电器及方法
技术领域：
本发明涉及固态继电器，特别涉及一种针对三相交流电机运行方向控制的固态继电器及方法。
背景技术：
三相固态继电器在三相交流电机的应用中起开关作用。一般，三相固态继电器中有两组功率组件，用于三相交流电源与三相交流电机的正/反向切換。在使用过程中，由于三相交流电机的供电出现问题会引起严重的后果。如三相交流电机因接线、维修等导致的相序改变，将使电机反方向工作，影响其正常运行，有时甚至会损坏电机外部机械部件。或者如三相交流电机因接线、维修、振动导致的三相电源缺相，将使电机中的电流因缺相而剧增。若电机长期工作在缺相状态，将使电机烧毀，同时固态继电器也将因电流过闻而损坏。图I表示的是在现有技术三相固态继电器(SSR) 50中，用分立元件来实现的主要结构图。三相固态继电器(SSR)50包括驱动模块51、功率组件模块52 ;输入信号CS在输入端子Il或者12输入直流控制信号，L1、L2、L3上连接三相电，U、V、W连接负载LOAD。LOAD主要由电机构成。其工作原理是当Il有效时，输出端U与输入端LI接通，输出端V与输入端L2接通，输出端W与输入端L3接通；当12有效时，输出端U与输入端LI接通，输出端V与输入端L3接通，输出端W与输入端L2接通。使得可以通过控制Il和12来改变加在负载端的三相电的相序，从而达到控制电机运行方向的目的。驱动模块51 —般由三极管、电阻、电容、光电耦合器构成，由三极管、电阻、电容组成的恒流电路接受来自输入端子Il或者12的输入信号，从而使光电耦合器中的发光二极管发光，使光电耦合器的输出端成为导通状态而触发对应的可控硅导通。
三相固态继电器使用的功率器件是可控硅，可控硅的关断特性比较特殊，一定要负载电流小于一定程度的时候才能完全关断，因此固态继电器本身的两组功率组件在切换的时候可能因时间过短，在一组功率组件还未完全截止的情况下，另ー组功率组件已经导通，从而导致三相固态继电器内部相间短路，使设备损坏。目前有用外接设备(相序保护器、控制器MCU)检测三相电相序以及缺相状态，通过检测到的电源状态，由外接设备给予固态继电器控制信号，来解决上述问题。虽然外接设备的使用解决了三相固态继电器在三相交流电机使用中的ー些问题， 但是这些外接设备本身就体积比较大，系统比较复杂(比如为处理信号的逻辑关系，需要中央处理器)，价格较高，还存在兼容能力等问题，缺点比较明显。所以我们必须拥有ー种结构功能集中、安全可靠、而又成本低廉的三相固态继电器来解决上述问题。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明公开了ー种针对三相交流电机运行方向控制的固态继电器及方法，其结构功能集中、安全可靠、而又成本低廉。本发明的技术方案如下
ー种新型的针对三相交流电机运行方向控制的固态继电器，包括驱动模块、功率组件模块、相序检测模块、缺相检测模块、自动纠相与缺相保护逻辑模块；所述驱动模块与功率组件模块连接；所述功率组件模块分别连接三相电源和三相负载；
其中
所述相序检测模块输入端与三相电源连接，其输出端与自动纠相与缺相保护逻辑模块连接；用于检测三相电源供电的相序，并提供相序信号给自动纠相与缺相保护逻辑模块；
所述缺相检测模块输入端与三相电源连接，其输出端与自动纠相与缺相保护逻辑模块连接；用于三相电源供电时是否出现缺相，并提供缺相信号给自动纠相与缺相保护逻辑模块；
所述自动纠相与缺相保护逻辑模块，进ー步包括
信号转换单元与信号处理单元连接；用于接收控制信号，并进行控制信号的电平转
换；
信号处理单元分别与相序检测模块的输出端、缺相检测模块的输出端以及驱动模块连接；用于处理信号转换单元传输的信号以及相序检测模块和缺相检测模块输入的信号，并将处理后的控制结果输出到驱动模块。较佳地，所述信号处理单元，进ー步包括
缺相保护子单元、自动纠相子単元、互锁子单元、延时子単元、第一输入端子、第二输入端子、第三输入端子、第四输入端子、第一输出端子、第二输出端子；
第一输入端子和第二输入端子分别与信号转换单元的输出端连接；
第三输入端子与缺相检测模块的输出端连接；
第四输入端子与相序检测模块的输出端连接；
第一输出端子和第二输出端子分别与信号处理单兀的输出端连接；
其中，第一输入端子至第三输入端子分别与缺相保护子单元连接，第四输入端子与自动纠相子単元相连，第一输出端子和第二输出端子与延时子単元相连接；
缺相保护子单元、自动纠相子单元、互锁子单元、延时子单元依次连接；或者自动纠相子単元、缺相保护子单元、互锁子单元、延时子単元依次连接；
其中
缺相保护子单元，用于根据缺相检测模块输出的缺相信号，当三相电有缺相吋，直接锁定输出结果，使输出结果无效；
自动纠相子単元，用于根据相序检测模块输出的相序信号，当三相电相序改变时，使输入的控制信号通过自动纠相子単元后，输出相反；
互锁子单元，用于当前一级单元输出到互锁子单元的信号相同时，进行输出结果的锁定，使输出结果无效；
延时子単元，用于将输出到驱动模块的控制信号进行延时，使控制信号在功率组件模块的功率组件关断之后再输出到驱动模块。较佳地，所述缺相保护子单元进ー步包括
第一电阻、第二电阻、第一ニ极管、第二ニ极管。第一电阻与第一ニ极管阳极连接，第一ニ极管的阳极连接到第一输入端和第一子输出端；
第二电阻与第二ニ极管阳极连接，第二ニ极管的阳极连接到第二输入端和第二子输出
端; 第一ニ极管与第二ニ极管阴极连接，再连接到第三输入端。较佳地，自动纠相子単元进ー步包括第一异或逻辑器件、第二异或逻辑器件； 第一异或逻辑器件的任意一输入端与第二异或逻辑器件的任意ー输入端连接，上述第
一异或逻辑器件的输入端连接到第四输入端；
第一异或逻辑器件的另ー输入端连接到第一子输出端，第一异或逻辑器件的输出端连接到第三子输出端；
第二异或逻辑器件的另ー输入端连接到第二子输出端，第二异或逻辑器件的输出端连接到第四子输出端。较佳地，互锁子单元，进ー步包括第三电阻、第一电容、第三异或逻辑器件、第四异或逻辑器件、第一与逻辑器件、第二与逻辑器件；
第三电阻的一端连接到工作电源，另一端分别连接到第三异或逻辑器件的任意ー输入端、第四异或逻辑器件的任意一输入端、第一电容的任意端；
第一电容的另一端与工作地连接；
第三异或逻辑器件的另ー输入端分别连接到第三子输出端、第二与逻辑器件的任意一输入端；
第三异或逻辑器件的输出端与第一与逻辑器件的任意ー输入端连接；
第四异或逻辑器件的另ー输入端分别连接到第四子输出端、第一与逻辑器件的另ー输入端;
第四异或逻辑器件的输出端与第二与逻辑器件的另ー输入端连接；
第一与逻辑器件的输出端连接到第五子输出端；
第二与逻辑器件的输出端连接到第六子输出端。较佳地,延时子单元,进ー步包括
第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第二电容、第三电容、第三ニ极管、第四ニ极管、第三与逻辑器件、第四与逻辑器件；
第三ニ极管与第四电阻并联，第三ニ极管的阴极与第五子输出端连接，第三ニ极管的阳极分别与第八电阻任意一端、第三与逻辑器件任意ー输入端连接；
第四ニ极管与第五电阻并联，第四ニ极管的阴极与第六子输出端连接，第四ニ极管的阳极分别与第七电阻任意一端、第四与逻辑器件任意ー输入端连接；
第七电阻另一端与第二电容的正极连接，第二电容的负极与工作地连接；
第八电阻另一端与第三电容的正极连接，第三电容的负极与工作地连接；第六电阻的任意一端分别连接到第三与逻辑器件的另ー输入端、第四与逻辑器件的另ー输入端，第六电阻的另一端连接到工作电源；
第三与逻辑器件的输出端连接到第一输出端；
第四与逻辑器件的输出端连接到第二输出端。较佳地，所述相序检测模块，进一歩包括
第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第十一ニ极管、第十二ニ极管、第十三ニ极管、第十四ニ极管、第一光电耦合器；
三相电源的第一相分别连接第十五电阻任意一端、第六电容任意一端；
第十五电阻另一端分别连接第十四电阻任意一端、第十八电阻任意一端、第i ニ极管阳极、第十二ニ极管阴极；
第六电容另一端连接第十六电阻任意一端；
第十六电阻另一端分别连接第十八电阻另一端、第十七电阻任意一端、第十三ニ极管阳极、第十四ニ极管阴扱；
三相电源的第二相连接第五电容任意一端；
第五电容另一端连接到第十四电阻另一端；
三相电源的第三相连接第十七电阻另一端；
第一光电耦合器输入端发光二极管的阳极分别连接第十一ニ极管阴极、第十三ニ极管阴极、第七电容任意一端，阴极连接第十九电阻任意一端；
第十九电阻另一端分别连接第七电容另一端、第十二ニ极管阳极、第十四ニ极管阳
极；
第一光电耦合器输出端三极管的集电极连接工作电源，发射极分别连接第二十电阻任意一端、第八电容任意一端、第四输入端；
第二十电阻另一端、第八电容另一端分别连接工作地。较佳地，所述缺相检测模块，进ー步包括
第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第四电容、第五ニ极管、第六ニ极管、第七ニ极管、第八ニ极管、第九ニ极管、第十二极管、第二光电耦合器、第一三极管、第二三极管；
三相电源的第一相连接第九电阻任意一端；第九电阻另一端分别连接第五ニ极管阳极、第八ニ极管阴极；
三相电源的第二相连接第十电阻任意一端；第十电阻另一端分别连接第六ニ极管阳、极、第九ニ极管阴极；
三相电源的第三相连接第十一电阻任意一端；第十一电阻另一端分别连接第七ニ极管阳极、第十二极管阴极；
第二光电耦合器输入端发光二极管的阳极分别连接第五ニ极管阴极、第六ニ极管阴极、第七ニ极管阴极，且所述发光二极管的阴极分别连接第八ニ极管阳极、第九ニ极管阳极、第十二极管阳极；
第二光电耦合器输出端三极管集电极连接工作电源，所述输出端三极管的发射极连接第十二电阻任意一端、第一三极管基极；第十二电阻另一端连接工作地；
第一三极管集电极连接工作电源，发射极连接第四电容任意一端、第十三电阻任意一
端;
第四电容另一端连接工作地；
第二三极管基极连接第十三电阻另一端，集电极连接第三输入端，发射极连接工作地。根据上述固态继电器进行三 相交流电机运行方向控制的方法，包括下列步骤
SI :三相电源接入相序检测模块,相序检测模块检测三相电源供电的相序,并提供相序信号给自动纠相与缺相保护逻辑模块的信号处理单元。S2 :三相电源接入缺相检测模块，缺相检测模块检测三相电源供电是否存在缺相，并提供缺相信号给自动纠相与缺相保护逻辑模块的信号处理单元。S3 :控制信号CS输入信号转换单元，信号转换单元对该控制信号CS进行处理后输出给信号处理单元。S4:信号处理单元处理信号转换单元传输的信号以及相序检测模块和缺相检测模块输入的信号，并将处理后的控制结果输出到驱动模块。S5 :驱动模块通过控制功率组件模块控制三相电机的相序。较佳地,所述步骤S4,进ー步包括
541:信号转换单元的控制信号以及缺相检测模块的缺相信号输出到缺相保护子单元中，当三相电源有缺相时，缺相保护子单元会根据缺相检测模块输出的缺相信号锁定输出结果，使控制信号输出无效；
542:缺相保护子单元的输出信号以及相序检测模块的相序信号输出到自动纠相子单元中，当三相电相序改变的时候，自动纠相子単元根据相序检测单元输出的相序信号，使通过自动纠相子単元的控制信号输出相反，最終使三相电源加载到负载的相序不变；
543:自动纠相子単元的输出信号输入给互锁子单元，当自动纠相子单元输出到互锁子単元的信号相同时，互锁子单元将锁定输出结果，使控制信号输出无效；
S44:互锁子单元的输出信号传输给延时子単元，延时子単元将输出到驱动模块的控制信号进行延时，使控制信号在功率组件模块的功率组件关断之后再输出到驱动模块。与现有技术相比，本发明的有益效果如下
第一，本发明的固态继电器结构功能集中，其本身就可以实现三相电机的电源的自动纠相以及缺相保护，不必再接外部设备。第二，本发明的固体继电器中实现自动纠相和缺相保护的结构完全由分立元件来实现，即硬件电路来实现。省去了外部设备可能用到的控制器MCU/DSP，节省了成本，即用低廉的价格实现了相同的功能。第三，本发明的固体继电器中正转和反转两个控制输入信号互锁并延迟一段时间再给控制逻辑，解决了因可控硅关断特性造成的相间短路。第四，固态继电器是在强电的环境下工作，要求工作器件有极强的抗干扰能力，本发明的固体继电器的结构由于都是通过分立元件，即硬件电路实现的，故其具有強大的抗干扰工作能力。第五，本发明的固体继电器的结构由于都是通过分立元件，即硬件电路实现的，其相比用MCU/DSP实现的电路更优，不存在死机现象，也不存在因软件运行错误造成器件损坏，或者更大的事故可能。而且本发明的实现电路简单，安全可靠。第六，本发明可以使三相交流电动机在三相电源缺相时能实时检测到缺相的发生，并切断输入信号通路，使功率组件关断，避免电机因缺相运行而烧毀。第七，本发明实时监测输入三相电相序，当输入三相电相序改变吋，内部控制逻辑会发出相应控制指令而使加在电机的相序不变，避免因相序改变而造成电机运行方向与期望的方向不一致现象。
图I为现有技术固体继电器的结构示意 图2为本发明具体实施例新型的针对三相交流电机运行方向控制的固态继电器的结构示意 图3为本发明具体实施例信号处理单元的结构示意 图4a为本发明具体实施例缺相保护子单元的优先电路示意 图4b为本发明具体实施例缺相保护子单元的第一个替代电路示意 图4c为本发明具体实施例缺相保护子单元的第二个替代电路示意 图5a为本发明具体实施例自动纠相子単元的优先电路示意 图5b为本发明具体实施例自动纠相子単元的第一个替代电路示意 图6a为本发明具体实施例互锁子单元的优先电路示意 图6b为本发明具体实施例互锁子单元的第一个替代电路示意 图6c为本发明具体实施例互锁子单元的第二个替代电路示意 图7为本发明具体实施例延时子単元的优先电路示意 图8a为本发明具体实施例相序检测模块的优先电路示意 图8b为本发明具体实施例相序检测模块的第一个替代电路示意 图8c为本发明具体实施例相序检测模块的第二个替代电路示意 图9a为本发明具体实施例缺相检测模块的优先电路示意 图9b为本发明具体实施例缺相检测模块的第一个替代电路示意 图10为本发明具体实施例所述的固态继电器进行三相交流电机运行方向控制的方法的流程图。
具体实施例方式下方结合附图和具体实施例对本发明做进ー步的描述
如图2，ー种新型的针对三相交流电机运行方向控制的固态继电器10，包括驱动模块14、功率组件模块15、相序检测模块122、缺相检测模块121、自动纠相与缺相保护逻辑模块13、电源模块11。驱动模块14与功率组件模块15连接；功率组件模块15分别连接三相电源60和
三相负载80。电源模块11直接从输入信号上取电并为相序检测模块122、缺相检测模块121、自动纠相与缺相保护逻辑模块13提供5V的电源。图中并未画出电源模块11与相序检测模块122、缺相检测模块121、自动纠相与缺相保护逻辑模块13的供电连接关系。
其中，相序检测模块122 :输入端与三相电源60连接，其输出端14与自动纠相与缺相保护逻辑模块13连接；用于检测三相电源60供电的相序，并提供相序信号给自动纠相与缺相保护逻辑模块13。缺相检测模块121 :输入端与三相电源60连接，其输出端13与自动纠相与缺相保护逻辑模块13连接；用于检测三相电源供电时是否出现缺相，并提供缺相信号给自动纠相与缺相保护逻辑模块13。其中，自动纠相与缺相保护逻辑模块13，进ー步包括
信号转换单元131 :其输出端Il和12分别与信号处理单元132的输入端连接；用于接收控制信号CS，并进行控制信号的电平转换；即将宽范围的控制信号转化为高低电平信号。本实施例这里采用一般的转换电路即可。
信号处理单元132 :其输入端分别与信号转换单元131的输出端Il和12、相序检测模块122的输出端14、缺相检测模块121的输出端13连接，其输出端01和02分别与驱动模块14的输入端连接；用于处理信号转换单元131传输的信号以及相序检测模块122和缺相检测模块121传输的信号，并将处理后的控制结果输出到驱动模块14。缺相报警输出単元133 :与信号处理单元132连接，用于在三相电源供电出现缺相情况时，进行报警。具体实施吋，自动纠相与缺相保护逻辑模块13中也可不包括所述缺相报警输出単元133。即它不是本模块的核心単元，故本发明这里对其不做限定。如图3，信号处理单元132，进ー步包括
缺相保护子单元21、自动纠相子単元22、互锁子单元23、延时子単元24、第一输入端子110、第二输入端子120、第三输入端子130、第四输入端子140、第一输出端子010、第二输出端子020。第一输入端子IlO和第二输入端子120分别与信号转换单元131的输出端Il和12连接。第三输入端子130与缺相检测模块121的输出端13连接。第四输入端子140与相序检测模块的输出端14连接。第一输出端子010和第二输出端子020分别与信号处理单元的输出端01和02连接。其中，第一输入端子IlO至第三输入端子130分别与缺相保护子单元21连接，第四输入端子140与自动纠相子単元22相连，第一输出端子010和第二输出端子020与延时子単元23相连。本实施例中，缺相保护子单元21、自动纠相子単元22、互锁子单元23、延时子単元24依次连接。具体实施时，缺相保护子单元21、自动纠相子単元22的顺序可以互換，即自动纠相子単元22、缺相保护子单元21、互锁子单元23、延时子単元24依次连接。本发明不对此作出限定。其中
缺相保护子单元21 :当三相电源为功率组件模块供电，且出现至少有一相电源连接断开的时候，该子单元会根据缺相检测模块输出的缺相信号直接锁定输出结果，使输出到驱动模块14控制信号无效。自动纠相子単元22，当三相电源为功率组件模块供电，且任意两相互换连接位置时,将导致三相电的输入相序改变,此时，自动纠相子单元22将根据相序检测模块121输出的相序信号，使输入的控制信号相反，即输入的控制信号为高/低电平，通过自动纠相子单元22输出的为低/高电平，最終使三相电源加载到负载的相序不变。互锁子单元23 :当前一级单元输出到互锁子单元23的信号相同吋，该子单元将锁定输出結果，即互锁子単元同时接收到2个高/低电平信号时，该子单元输出结果为全低电平或者全高电平。延时子単元24 :功率组件模块15中的可控硅关断，需要可控硅中的负载电流小于一定的值，此时若给功率组件驱动信号容易造成固态继电器内部相间短路，即在ー组功率组件还未完全截止的情况下，另ー组功率组件已经导通，从而造成的相间短路，延时子単元就是将输出到驱动模块14的控制信号延时到功率组件模块15的功率组件关断之后再输出 到驱动模块14。如图4a，缺相保护子单元21进ー步包括
第一电阻R1、第二电阻R2、第一ニ极管D1、第二ニ极管D2。第一电阻Rl与第一ニ极管Dl阳极连接，第一ニ极管Dl的阳极连接到第一输入端IlO和第一子输出端0311。第二电阻R2与第二ニ极管D2阳极连接，第二ニ极管D2的阳极连接到第二输入端120和第二子输出端0312。第一ニ极管Dl与第二ニ极管D2阴极连接，再连接到第三输入端130。上述电路仅是缺相保护子单元的较佳实施例，具体实施时，还有很多替换方案，如图4b由两个与逻辑器件组成；图4(由两个或逻辑器件组成，此电路用于当缺相信号用高电平表示缺相时，使缺相保护子单元21输出2个控制信号相同。本发明不对具体电路形式作出限定。如图5a，自动纠相子単元22进ー步包括第一异或逻辑器件IC11、第二异或逻辑器件IC12。第一异或逻辑器件ICll的任意一输入端与第二异或逻辑器件IC12的任意ー输入端连接，上述第一异或逻辑器件ICll的输入端连接到第四输入端140。第一异或逻辑器件ICll的另ー输入端连接到第一子输出端0311，第一异或逻辑器件ICll的输出端连接到第三子输出端0313。第二异或逻辑器件IC12的另ー输入端连接到第二子输出端0312，第二异或逻辑器件IC12的输出端连接到第四子输出端0314。上述电路仅是自动纠相子单元的较佳实施例,具体实施时,还有很多替换方案,如图5b由两个同或逻辑器件组成，当相序信号改变吋，自动纠相子単元22输出的信号将跟着改变。本发明不对具体电路形式作出限定。如图6a，互锁子单元23，进ー步包括第三电阻R3、第一电容Cl、第三异或逻辑器件IC13、第四异或逻辑器件IC14、第一与逻辑器件IC21、第二与逻辑器件IC22。第三电阻R3的一端连接到工作电源，另一端分别连接到第三异或逻辑器件IC13的任意ー输入端、第四异或逻辑器件IC14的任意ー输入端、第一电容Cl的任意端；第ー电容Cl的另一端与工作地连接。第三异或逻辑器件IC13的另ー输入端分别连接到第三子输出端0313、第二与逻辑器件IC22的任意ー输入端。第三异或逻辑器件IC13的输出端与第一与逻辑器件IC21的任意ー输入端连接。第四异或逻辑器件IC14的另ー输入端分别连接到第四子输出端0314、第一与逻辑器件IC21的另ー输入端。
第四异或逻辑器件IC14的输出端与第二与逻辑器件IC22的另ー输入端连接。第一与逻辑器件IC21的输出端连接到第五子输出端0315 ；
第二与逻辑器件IC22的输出端连接到第六子输出端0316。上述电路仅是互锁子単元的较佳实施例，具体实施时，还有很多替换方案，如图6b由两个同或逻辑器件、两个与非逻辑器件、ー个电阻、ー个电容组成；图6c由两个反向逻辑器件、两个与逻辑器件，当有两个相同的信号输入时，通过反向逻辑器件的信号反向，此时输入到与逻辑器件的信号是2个不同的信号，此时输出为全低电平；当有两个不同的信号输入到互锁子单元时，通过反向逻辑器件的信号反向，此时输入到其中一个与逻辑器件的信号全高电平，输入到另ー个与逻辑器件的信号全低电平，此时从两个与逻辑器件输出的信号为ー个高电平，一个低电平，以此保证从互锁子单元输出到驱动模块的控制信号不会同时有效。本发明不对具体电路形式作出限定。如图7,延时子单元23,进ー步包括
第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第二电容C2、第三电容C3、第三ニ极管D3、第四ニ极管D4、第三与逻辑器件IC23、第四与逻辑器件IC24。第三ニ极管D3与第四电阻R4并联，第三ニ极管D3的阴极与第五子输出端0315连接，第三ニ极管D3的阳极分别与第八电阻R8任意一端、第三与逻辑器件IC23任意ー输入端连接。第四ニ极管D4与第五电阻R5并联，第四ニ极管D4的阴极与第六子输出端0316连接，第四ニ极管D4的阳极分别与第七电阻R7任意一端、第四与逻辑器件IC24任意ー输入端连接。第七电阻R7另一端与第二电容C2的正极连接，第二电容C2的负极与工作地连接。第八电阻R8另一端与第三电容C3的正极连接，第三电容C3的负极与工作地连接。第六电阻R6的任意一端分别连接到第三与逻辑器件IC23的另ー输入端、第四与逻辑器件IC24的另ー输入端，第六电阻R6的另一端连接到工作电源。第三与逻辑器件IC23的输出端连接到第一输出端010。第四与逻辑器件IC24的输出端连接到第二输出端020。如图8，相序检测模块122，进ー步包括
第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第十一ニ极管D11、第十二ニ极管D12、第十三ニ极管D13、第十四ニ极管D14、第一光电耦合器IC31。三相电源的第一相LI分别连接第十五电阻R15任意一端、第六电容C6任意一端。第十五电阻R15另一端分别连接第十四电阻R14任意一端、第十八电阻R18任意一端、第十一ニ极管Dll阳极、第十二ニ极管D12阴极。第六电容C6另一端连接第十六电阻R16任意一端。第十六电阻R16另一端分别连接第十八电阻R18另一端、第十七电阻R17任意一端、第十三ニ极管D13阳极、第十四ニ极管D14阴极。三相电源的第二相L2连接第五电容C5任意一端。第五电容C5另一端连接到第十四电阻R14另一端。
三相电源的第三相L3连接第十七电阻R17另一端。第一光电耦合器IC31输入端发光二极管的阳极分别连接第十一ニ极管Dll阴极、第十三ニ极管D13阴极、第七电容C7任意一端，阴极连接第十九电阻R19任意一端。第十九电阻R19另一端分别连接第七电容C7另一端、第十二ニ极管D12阳极、第十四ニ极管D14阳极；
第一光电耦合器IC31输出端三极管的集电极连接工作电源，发射极分别连接第二十电阻R20任意一端、第八电容C8任意一端、第四输入端140。第二十电阻R20另一端、第八电容CS另一端分别连接工作地。上述电路仅是相序检测模块的较佳实施例，具体实施时，还有很多替换方案，如图Sb由九个电阻、三个ニ极管、三个光电耦合器、四个与非逻辑器件、两个三极管、ー个电容组成。三个光电耦合器的输入端与ニ极管组成ー个三相整流桥，用三个电阻限定整流桥中的电流，此时，三个光电耦合器将输出六组信号，该六组信号通过四个与非逻辑器件输出与三相电同周期的占空比信号，或为高电平100%占空比信号，高电平信号使PNP三极管截止，最终输出高电平信号作为此时的相序状态；或为高电平5/6占空比信号，该信号使PNP三极管有1/6个周期处于导通状态给后面的电容充电，并使NPN三极管导通，另外5/6个周期由电容放电保持NPN三极管导通，最终输出一个低电平作为此时的相序状态；图8(该电路在图8a的基础上，改变光电I禹合器件输出端的电路，输出与图8a相反的相序信号表不不同相序状态。本发明不对具体电路形式作出限定。如图9a，缺相检测模块121，进ー步包括
第九电阻R9、第十电阻R10、第i^一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第四电容C4、第五ニ极管D5、第六ニ极管D6、第七ニ极管D7、第八ニ极管D8、第九ニ极管D9、第十二极管D10、第二光电耦合器IC32、第一三极管Q1、第二三极管Q2。三相电源的第一相LI连接第九电阻R9任意一端；第九电阻R9另一端分别连接第五ニ极管D5阳极、第八ニ极管D8阴极；
三相电源的第二相L2连接第十电阻RlO任意一端；第十电阻RlO另一端分别连接第六ニ极管D6阳极、第九ニ极管D9阴极；
三相电源的第三相L3连接第十一电阻Rl I任意一端；第十一电阻Rl I另一端分别连接第七ニ极管D7阳极、第十二极管DlO阴极；
第二光电耦合器IC32输入端发光二极管的阳极分别连接第五ニ极管D5阴极、第六ニ极管D6阴极、第七ニ极管D7阴极，且所述发光二极管的阴极分别连接第八ニ极管D8阳极、第九ニ极管D9阳极、第十二极管DlO阳极；
第二光电耦合器IC32输出端三极管集电极连接工作电源，所述输出端三极管的发射极连接第十二电阻R12任意一端、第一三极管Ql基板。第十二电阻R12另一端分别连接エ作地；
第一三极管Ql集电极连接工作电源，发射极连接第四电容C4任意一端、第十三电阻Rl3任意一端；第四电容C4另一端连接工作地。第二三极管Q2基极连接第十三电阻R13另一端，其集电极连接第三输入端130，发射极连接工作地。上述电路仅是缺相检测模块的较佳实施例，具体实施时，还有很多替换方案，如图9b该原理图在缺相检测电路图9a的基础上，在缺相信号的输出端増加一个反向逻辑器件，使用与图9a中输出的相反的缺相信号，来表示此时的缺相状态。本发明不对具体电路形式作出限定。如图10，结合上述固态继电器的结构，进ー步描述使用上述固态继电器进行三相交流电机运行方向控制的方法，包括下列步骤
SI :三相电源接入相序检测模块122，相序检测模块122检测三相电源供电的相序，并 提供相序信号给自动纠相与缺相保护逻辑模块13的信号处理单元132。S2 :三相电源接入缺相检测模块121，缺相检测模块121检测三相电源供电是否存在缺相，并提供缺相信号给自动纠相与缺相保护逻辑模块13的信号处理单元。S3 :控制信号CS输入信号转换单元131，信号转换单元131对该控制信号CS进行处理后输出给信号处理单元132。S4 :信号处理单元132处理信号转换单元131传输的信号以及相序检测模块122和缺相检测模块121输入的信号，并将处理后的控制结果输出到驱动模块14。S5 :驱动模块14通过控制功率组件模块15控制三相电机的相序。图10中，步骤SI至S5顺次连接，但在具体实施时，上述步骤SI、S2、S3并没有先后的顺序，三者可以同时进行，也可以不同先后的顺序进行。本发明不对步骤SI、S2、S3的顺序进行限定。其中，步骤SI，进ー步包括
设定高/低电平为三相电源正向相序，低/高电平为三相电源反向相序，此时相序检测模块会根据当前输入的三相电源相序状态输出一个对应的高/低电平信号给信号处理单元
步骤S2,进ー步包括
设定高/低电平为三相电源供电缺相，低/高电平为三相电源供电未缺相，此时缺相检测模块会根据当前输入的三相电源缺相状态输出一个对应的高/低电平信号给信号处理单元
步骤S4,进ー步包括
S41 :信号转换单元131的信号以及缺相信号输入到缺相保护子单元21中。当三相电源为功率组件模块供电，且出现至少有一相电源连接断开的时候，该子单元会根据缺相检测模块121输出的缺相信号直接锁定输出結果，即使输出到驱动模块14的控制信号无效。S42 :缺相保护子单元21的输出信号以及相序信号输入自动纠相子単元22中。当三相电源为功率组件模块供电，且任意两相互换连接位置时，将导致三相电的输入相序改变，此吋，自动纠相子単元22将根据相序检测单元122输出的相序信号，使输入的控制信号输出相反，即输入的控制信号为高/低电平，通过自动纠相子单元输出的为低/高电平，最终使三相电源加载到负载的相序不变。S43 自动纠相子単元22的输出信号给互锁子単元23，当互锁子单元23接收到ー对(两个)相同的信号吋，该子单元将输出ー对(两个)低电平。S44 :互锁子单元23的输出信号传输给延时子単元24，功率组件模块15中的可控硅关断，需要可控硅中的负载电流小于一定的值。此时若给功率组件驱动信号容易造成固态继电器内部相间短路，延时子単元24就是将输出到驱动电路的控制信号延时到功率组件关断之后再输出到驱动电路。上述步骤中，。步骤S2中，缺相保护子单元21、自动纠相子単元22的顺序可以互 换。本发明不对上述步骤的顺序作出限定。与现有技术相比，本发明的有益效果如下
第一，本发明的固态继电器结构功能集中，其本身就可以实现三相电机的电源的自动纠相以及缺相保护，不必再接外部设备。第二，本发明的固体继电器中实现自动纠相和缺相保护的结构完全由分立元件来实现，即硬件电路来实现。省去了外部设备可能用到的控制器MCU/DSP，节省了成本，即用低廉的价格实现了相同的功能。第三，本发明的固体继电器中正转和反转两个控制输入信号互锁并延迟一段时间再给控制逻辑，解决了因可控硅关断特性造成的相间短路。第四，固态继电器是在强电的环境下工作，要求工作器件有极强的抗干扰能力，本发明的固体继电器的结构由于都是通过分立元件，即硬件电路实现的，故其具有強大的抗干扰工作能力。第五，本发明的固态继电器的结构由于都是通过分立元件，即硬件电路实现的，其相比用MCU/DSP实现的电路更优，不存在死机现象，也不存在因软件运行错误造成器件损坏，或者更大的事故可能。而且本发明的实现电路简单，安全可靠。第六，本发明能实时检测到缺相的发生，使三相交流电动机在三相电源缺相时，使控制信号输入无效，关断功率组件避免电机因缺相运行而损毀。第七，本发明实时监测三相电输入相序，当三相电输入相序改变吋，内部控制逻辑会发出相应控制指令而使加在电机的相序不变，避免因相序改变而造成电机运行方向与期望的方向不一致现象。本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的 细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式
。显然，根据本说明书的内容，可作很多的 修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
权利要求
1.ー种新型的针对三相交流电机运行方向控制的固态继电器，包括驱动模块、功率组件模块，所述驱动模块与功率组件模块连接；所述功率组件模块分别连接三相电源和三相负载；其特征在于还包括相序检测模块、缺相检测模块、自动纠相与缺相保护逻辑模块； 其中 所述相序检测模块输入端与三相电源连接，其输出端与自动纠相与缺相保护逻辑模块连接；用于检测三相电源供电的相序，并提供相序信号给自动纠相与缺相保护逻辑模块； 所述缺相检测模块输入端与三相电源连接，其输出端与自动纠相与缺相保护逻辑模块连接；用于三相电源供电时是否出现缺相，并提供缺相信号给自动纠相与缺相保护逻辑模块； 所述自动纠相与缺相保护逻辑模块，进ー步包括 信号转换单元与信号处理单元连接；用于接收控制信号，并进行控制信号的电平转换； 信号处理单元分别与相序检测模块的输出端、缺相检测模块的输出端以及驱动模块连接；用于处理信号转换单元传输的信号以及相序检测模块和缺相检测模块输入的信号，并将处理后的控制结果输出到驱动模块。
2.根据权利要求I所述的固态继电器，其特征在于，所述信号处理单元，进ー步包括 缺相保护子单元、自动纠相子単元、互锁子单元、延时子単元、第一输入端子、第二输入端子、第三输入端子、第四输入端子、第一输出端子、第二输出端子； 第一输入端子和第二输入端子分别与信号转换单元的输出端连接； 第三输入端子与缺相检测模块的输出端连接； 第四输入端子与相序检测模块的输出端连接； 第一输出端子和第二输出端子分别与信号处理单兀的输出端连接； 其中，第一输入端子至第三输入端子分别与缺相保护子单元连接，第四输入端子与自动纠相子単元相连，第一输出端子和第二输出端子与延时子単元相连接； 缺相保护子单元、自动纠相子单元、互锁子单元、延时子单元依次连接；或者自动纠相子単元、缺相保护子单元、互锁子单元、延时子単元依次连接； 其中 缺相保护子单元，用于根据缺相检测模块输出的缺相信号，当三相电有缺相吋，直接锁定输出结果，使输出结果无效； 自动纠相子単元，用于根据相序检测模块输出的相序信号，当三相电相序改变时，使输入的控制信号通过自动纠相子単元后，输出相反； 互锁子单元，用于当前一级单元输出到互锁子单元的信号相同时，进行输出结果的锁定，使输出结果无效； 延时子単元，用于将输出到驱动模块的控制信号进行延时，使控制信号在功率组件模块的功率组件关断之后再输出到驱动模块。
3.根据权利要求2所述的固态继电器，其特征在于，所述缺相保护子单元进ー步包括 第一电阻、第二电阻、第一ニ极管、第二ニ极管； 第一电阻与第一ニ极管阳极连接，第一ニ极管的阳极连接到第一输入端和第一子输出端; 第二电阻与第二ニ极管阳极连接，第二ニ极管的阳极连接到第二输入端和第二子输出端; 第一ニ极管与第二ニ极管阴极连接，再连接到第三输入端。
4.根据权利要求3所述的固态继电器，其特征在干，自动纠相子単元进ー步包括第一异或逻辑器件、第二异或逻辑器件； 第一异或逻辑器件的任意一输入端与第二异或逻辑器件的任意ー输入端连接，上述第一异或逻辑器件的输入端连接到第四输入端； 第一异或逻辑器件的另ー输入端连接到第一子输出端，第一异或逻辑器件的输出端连接到第三子输出端； 第二异或逻辑器件的另ー输入端连接到第二子输出端，第二异或逻辑器件的输出端连接到第四子输出端。
5.根据权利要求4所述的固态继电器，其特征在于，互锁子单元，进ー步包括第三电阻、第一电容、第三异或逻辑器件、第四异或逻辑器件、第一与逻辑器件、第二与逻辑器件； 第三电阻的一端连接到工作电源，另一端分别连接到第三异或逻辑器件的任意ー输入端、第四异或逻辑器件的任意ー输入端、第一电容的任意端； 第一电容的另一端与工作地连接； 第三异或逻辑器件的另ー输入端分别连接到第三子输出端、第二与逻辑器件的任意一输入端； 第三异或逻辑器件的输出端与第一与逻辑器件的任意ー输入端连接； 第四异或逻辑器件的另ー输入端分别连接到第四子输出端、第一与逻辑器件的另ー输入端; 第四异或逻辑器件的输出端与第二与逻辑器件的另ー输入端连接； 第一与逻辑器件的输出端连接到第五子输出端； 第二与逻辑器件的输出端连接到第六子输出端。
6.根据权利要求5所述的固态继电器，其特征在于，延时子単元，进ー步包括 第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第二电容、第三电容、第三ニ极管、第四ニ极管、第三与逻辑器件、第四与逻辑器件； 第三ニ极管与第四电阻并联，第三ニ极管的阴极与第五子输出端连接，第三ニ极管的阳极分别与第八电阻任意一端、第三与逻辑器件任意ー输入端连接； 第四ニ极管与第五电阻并联，第四ニ极管的阴极与第六子输出端连接，第四ニ极管的阳极分别与第七电阻任意一端、第四与逻辑器件任意ー输入端连接； 第七电阻另一端与第二电容的正极连接，第二电容的负极与工作地连接； 第八电阻另一端与第三电容的正极连接，第三电容的负极与工作地连接； 第六电阻的任意一端分别连接到第三与逻辑器件的另ー输入端、第四与逻辑器件的另ー输入端，第六电阻的另一端连接到工作电源； 第三与逻辑器件的输出端连接到第一输出端； 第四与逻辑器件的输出端连接到第二输出端。
7.根据权利要求I所述的固态继电器，其特征在于，所述相序检测模块，进一歩包括第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第十一ニ极管、第十二ニ极管、第十三ニ极管、第十四ニ极管、第一光电耦合器； 三相电源的第一相分别连接第十五电阻任意一端、第六电容任意一端； 第十五电阻另一端分别连接第十四电阻任意一端、第十八电阻任意一端、第i ニ极管阳极、第十二ニ极管阴极； 第六电容另一端连接第十六电阻任意一端； 第十六电阻另一端分别连接第十八电阻另一端、第十七电阻任意一端、第十三ニ极管阳极、第十四ニ极管阴扱； 三相电源的第二相连接第五电容任意一端； 第五电容另一端连接到第十四电阻另一端； 三相电源的第三相连接第十七电阻另一端； 第一光电耦合器输入端发光二极管的阳极分别连接第十一ニ极管阴极、第十三ニ极管阴极、第七电容任意一端，阴极连接第十九电阻任意一端； 第十九电阻另一端分别连接第七电容另一端、第十二ニ极管阳极、第十四ニ极管阳极； 第一光电耦合器输出端三极管的集电极连接工作电源，发射极分别连接第二十电阻任意一端、第八电容任意一端、第四输入端； 第二十电阻另一端、第八电容另一端分别连接工作地。
8.根据权利要求I所述的固态继电器，其特征在于，所述缺相检测模块，进一歩包括 第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第四电容、第五ニ极管、第六ニ极管、第七ニ极管、第八ニ极管、第九ニ极管、第十二极管、第二光电耦合器、第一三极管、第二三极管； 三相电源的第一相连接第九电阻任意一端；第九电阻另一端分别连接第五ニ极管阳极、第八ニ极管阴极； 三相电源的第二相连接第十电阻任意一端；第十电阻另一端分别连接第六ニ极管阳极、第九ニ极管阴极； 三相电源的第三相连接第十一电阻任意一端；第十一电阻另一端分别连接第七ニ极管阳极、第十二极管阴极； 第二光电耦合器输入端发光二极管的阳极分别连接第五ニ极管阴极、第六ニ极管阴极、第七ニ极管阴极，且所述发光二极管的阴极分别连接第八ニ极管阳极、第九ニ极管阳极、第十二极管阳极； 第二光电耦合器输出端三极管集电极连接工作电源，所述输出端三极管的发射极连接第十二电阻任意一端、第一三极管基极； 第十二电阻另一端连接工作地； 第一三极管集电极连接工作电源，发射极连接第四电容任意一端、第十三电阻任意一端; 第四电容另一端连接工作地； 第二三极管基极连接第十三电阻另一端，集电极连接第三输入端，发射极连接工作地。
9.根据权利要求I至7中任意一项所述的固态继电器进行三相交流电机运行方向控制的方法，其特征在于，包括下列步骤 51:三相电源接入相序检测模块,相序检测模块检测三相电源供电的相序,并提供相序信号给自动纠相与缺相保护逻辑模块的信号处理单元； 52:三相电源接入缺相检测模块，缺相检测模块检测三相电源供电是否存在缺相，并提供缺相信号给自动纠相与缺相保护逻辑模块的信号处理单元； 53:控制信号CS输入信号转换单元，信号转换单元对该控制信号CS进行处理后输出给信号处理单元； S4:信号处理单元处理信号转换单元传输的信号以及相序检测模块和缺相检测模块输入的信号，并将处理后的控制结果输出到驱动模块； S5 :驱动模块通过控制功率组件模块控制三相电机的相序。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤S4，进ー步包括 541:信号转换单元的控制信号以及缺相检测模块的缺相信号输出到缺相保护子单元中，当三相电源有缺相时，缺相保护子单元会根据缺相检测模块输出的缺相信号锁定输出结果，使控制信号输出无效； 542:缺相保护子单元的输出信号以及相序检测模块的相序信号输出到自动纠相子单元中，当三相电相序改变的时候，自动纠相子単元根据相序检测单元输出的相序信号，使通过自动纠相子単元的控制信号输出相反，最終使三相电源加载到负载的相序不变； 543自动纠相子単元的输出信号输入给互锁子单元，当自动纠相子单元输出到互锁子単元的信号相同时，互锁子单元将锁定输出结果，使控制信号输出无效； S44:互锁子单元的输出信号传输给延时子単元，延时子単元将输出到驱动模块的控制信号进行延时，使控制信号在功率组件模块的功率组件关断之后再输出到驱动模块。
全文摘要
本发明公开了一种新型的针对三相交流电机运行方向控制的固态继电器，包括驱动模块、功率组件模块、相序检测模块、缺相检测模块、自动纠相与缺相保护逻辑模块。相序检测模块输入端与三相电源连接，其输出端与自动纠相与缺相保护逻辑模块连接；用于检测三相电源供电的相序，并提供相序信号给自动纠相与缺相保护逻辑模块。缺相检测模块输入端与三相电源连接，其输出端与自动纠相与缺相保护逻辑模块连接；用于三相电源供电时是否出现缺相，并提供缺相信号给自动纠相与缺相保护逻辑模块。自动纠相与缺相保护逻辑模块，包括信号转换单元与信号处理单元连接；信号处理单元分别与相序检测模块的输出端、缺相检测模块的输出端以及驱动模块连接。
文档编号H02H7/09GK102664568SQ201210119079
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月23日 优先权日2012年4月23日
发明者曾志铭, 杨建涛, 陈方增 申请人:库顿电子科技(上海)有限公司