具有多种保护功能电路的设计

2009年01月01日 13:01    比尔盖
关键词: 保护功能 , 电路 , 设计
在工业控制中,用电设备通常使用三相电源作为工作电源。但工作电源经常会受到各种因素的干扰,从而产生电压波动,造成过、欠电压等状况。如设备或电器长期工作在该环境中,会受到极大程度的损坏。因此,电源保护器要能对过压、欠压进行有效保护;此外,其还应具备相序鉴别保护功能,以确保用电设备能在各种条件下正常安全地运行。

保护分析

如图1所示,过压最小值与欠压最小值之间通常被称为正常工作电压(也称正常电压工作带)。电器的工作电压在此范围内波动,如达到过压或欠压设定值时,则保护器开始进行保护。




图1 过欠压保护参数



1过压保护状态

① 时序图分析

当保护器工作电压处在正常工作带时,工作保护触点吸合。如工作电压值超出过压设定值时,吸合工作触点进入设定的延时保护状态。待延时结束后,工作触点释放,由接通变至断开状态,直至工作电压重新回至正常电压工作带。

② 工作原理分析

如图2所示,IC1A与IC1B构成过压与欠压保护线路。其中,RP1为过欠压保护基准设定电位器,输入电压经R13分别加至IC1A反相输入②端与IC1B同相输入⑤端。取自RP1电位器的基准电压设定值随保护器⑦端电压变化而变化。如过压时,经RP1加至IC1A反相输入②端与IC1B同相输入端⑤的电压值也随之升高。过压保护设定电位器RP3上的电压由IC4三端稳压输出端经RP3分压(由R7、RP3、R8、RP4、R9构成串联回路)后通过R16加至IC1A③端同相输入端,与IC1A反相输入端电压比较。当V③>V②时,则IC1A输出端①输出“0”电平,从而使IC2⑥端复位为“0”,IC2输出端⑧处于延时工作状态。




图2 工作时序图




2欠压保护工作状态

① 时序图分析

如工作电压超出其欠压设定值时,吸合工作触点进入所设定的延时保护状态(设定时间为0~30s)。待延时结束后,控制器工作触点释放,由接通状态变至断开状态,直至电压重新回至正常电压工作带。在工作时序图中,保护触点状态2、3即为欠压保护工作状态。

② 工作原理分析

如图3所示,欠压保护机理与过压保护非常相似。RP4是欠压保护设定电位器,IC4三端稳压电压输出电压经RP4分压后通过R17加至IC1B⑥端,与⑤端电压值比较。此时,过压保护基准设定电位器RP1处于欠压状态,RP1取样电压值也随之下降,使得IC1B中V⑤<V⑥,则IC1B输出端⑦输出 “0”电平,从而将IC2⑥端MR手动控制端置为“0”, IC2输出端⑧端处于延时工作状态。




图3工作原理图



在过欠压保护电路设计上,为保证保护线路准确可靠地进行过压或欠压保护,将过欠压设定基准(RP1设定)电压分别接至IC1A反相输入②端和IC1B同相输入⑤端,从而保证了过压或欠压保护的唯一性。另外在电路中增加了VD4、VD3以保证在相应反馈回路中,如出现过压或欠压状态,工作单元能可靠地工作;加入IC2中⑥端的VD1、VD2、VD5构成了“与”门电路,实现了过压、欠压、灵敏度等保护功能。

3正常工作状态

当保护器外接工作电源在正常电压下工作时,无欠压或过压发生。IC1A输出端①和IC2B输出端⑦均为“1”电平,使得IC2⑥端为“1”,输出端⑧处于延时工作状态(输出高电平),直到下一次过压或欠压情况发生。

4相位灵敏度保护

在保护器处于正常工作带时(此时三相电源为正相序L1、L2、L3),如灵敏度超出设定值,保护器工作触点进入延时保护状态,直至延时保护触点断开。当检测的电压值逐渐小于设定值且低于最小值时,工作保护触点重新开始接通。

在保护器电源输入端⑤、⑥、⑦串接相应的RC移相电路(R4、RP9、C11、RP10、R5、R3)。调整相应电位器RP9、RP10,使加至整流桥输入端M、Q的电压为确定值(在保护器工作电源处于额定电压下进行调整)。如工作电压有波动,则由相应RC移相电路使整流桥电压输入端电压发生变化,从而使IC3A②端电压Vcc也发生变化。在取样电路中加入V1稳压管,则保证电压检测值不得超过V1稳压值。如超出,则IC3A中V③<V②,输出①端为“0”,并使IC3B⑤端电平为“0”(C6经R28放电,电平下降);同时,IC3B输入端V⑤<V⑥(V⑥电平由R24、R23分压取得),输出端⑦亦为“0”,使IC2⑥端电平为“0”,产品处于保护状态。

相位灵敏度的调整电路由RP2、RP5组成,其将设定的电压值由R26加至IC3A同相输入端③,与经RC移相处理后所产生的Vcc比较。通常情况下,Vcc电压值应小于V1稳压值。当IC3A中V③>V②时,IC3A输出①端为“1”,保证IC3B中V⑤>V⑥(V⑤电压经VD7向C6快速充电),输出端⑦为“1”,使IC2⑥端为“1”,则相位灵敏度保护不工作。

5相序保护

①工作时序图分析

在保护器电压处于正常工作带时,且工作电源端所加电压相序(L1、L2、L3)为正相序,工作保护触点吸合。如L1电压呈断相状态时,则其余两相呈过压状态,保护器也随之进入保护状态。当L1相又重新恢复供电,且加入电压的L1、L2、L3都在其规定的正常工作带范围内时,保护触点6又重新开始吸合工作。

当加入工作电源输入端由L1、L2、L3变为L2、L1、L3或L3、L2、L1时,因相序发生变化,保护器的保护触点都呈释放断开状态,无保护功能。

②相序保护原理分析

电源输入端⑤、⑥、⑦上所加的RC移相电路起相序鉴别和保护作用。以下为其相序矢量图。

A相序正常时矢量分析(L1、L2、L3)




图4 正常相序





图5 正常相序矢量图



B相序变化时矢量分析(L2、L1、L3)




图6 变化相序I




图7 变化相序矢量图I



C相序变化时矢量分析(L3、L2、L1)




图8 变化相序II




图9 变化相序矢量图II



通过分析可知,当相应相序发生变化后,整流桥输入电压值UMQ也随之变化,并使得IC3A反相输入端②的Vcc电压随其变化。

当保护器所加相序为L1、L2、L3时,IC3A中同相输入端③端电压V③>V②(Vcc),此时IC2手动复位控制端MR为“1”,计时器呈自动复位导通状态,如出现过压、欠压等状态,吸合触点进入延时保护状态。待完成延时保护状态后,吸合触点断开,直到工作电压L1、L2、L3又重归至安全电压工作带。

保护器所加相序发生变化后,整流桥输入电压值UMQ增大,从而使Vcc随之增大,IC3A中同相输入端③的电压V③<V②,IC2手动复位控制端MR为“0”,计时器工作延时,而IC2输出控制端为“1”,此时计算器不在清零控制状态,则输出状态Q端(8端)输出为“0”,保护继电器触点呈释放状态。

触点保护状态

保护器对所供电压进行取样检测,如电压出现异常时,保护器内部执行继电器都会先延时后释放,进行可靠的保护。为实现上述功能,需要选择可编程定时电路4541。延时部分可通过集成电路①~③脚外接RTC、CTC来完成。通过集成输入、输出控制端的设定来控制输出端Q的起始电平状态,并在输出端处串接V2稳压管以保证控制输出满足要求。

保护器内部继电器线圈始终有工作电流通过,继电器吸合。如发生过压、欠压情况,V3在导通工作延时后变为截止状态,V2指示灯熄灭,继电器释放。在驱动保护电路中增加R12、R31、R30、V4,可保证产品在过压情况下起到相应的保护功能。
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