具有多種保護(hù)功能電路的設(shè)計(jì)

在工業(yè)控制中,用電設(shè)備通常使用三相電源作為工作電源。但工作電源經(jīng)常會(huì)受到各種因素的干擾，從而產(chǎn)生電壓波動(dòng)，造成過(guò)、欠電壓等狀況。如設(shè)備或電器長(zhǎng)期工作在該環(huán)境中，會(huì)受到極大程度的損壞。因此，電源保護(hù)器要能對(duì)過(guò)壓、欠壓進(jìn)行有效保護(hù)；此外，其還應(yīng)具備相序鑒別保護(hù)功能，以確保用電設(shè)備能在各種條件下正常安全地運(yùn)行。

保護(hù)分析
如圖1所示，過(guò)壓最小值與欠壓最小值之間通常被稱為正常工作電壓（也稱正常電壓工作帶）。電器的工作電壓在此范圍內(nèi)波動(dòng)，如達(dá)到過(guò)壓或欠壓設(shè)定值時(shí)，則保護(hù)器開(kāi)始進(jìn)行保護(hù)。

圖1 過(guò)欠壓保護(hù)參數(shù)

1過(guò)壓保護(hù)狀態(tài)
① 時(shí)序圖分析
當(dāng)保護(hù)器工作電壓處在正常工作帶時(shí)，工作保護(hù)觸點(diǎn)吸合。如工作電壓值超出過(guò)壓設(shè)定值時(shí)，吸合工作觸點(diǎn)進(jìn)入設(shè)定的延時(shí)保護(hù)狀態(tài)。待延時(shí)結(jié)束后，工作觸點(diǎn)釋放，由接通變至斷開(kāi)狀態(tài)，直至工作電壓重新回至正常電壓工作帶。

② 工作原理分析
如圖2所示，IC1A與IC1B構(gòu)成過(guò)壓與欠壓保護(hù)線路。其中，RP1為過(guò)欠壓保護(hù)基準(zhǔn)設(shè)定電位器，輸入電壓經(jīng)R13分別加至IC1A反相輸入②端與IC1B同相輸入⑤端。取自RP1電位器的基準(zhǔn)電壓設(shè)定值隨保護(hù)器⑦端電壓變化而變化。如過(guò)壓時(shí)，經(jīng)RP1加至IC1A反相輸入②端與IC1B同相輸入端⑤的電壓值也隨之升高。過(guò)壓保護(hù)設(shè)定電位器RP3上的電壓由IC4三端穩(wěn)壓輸出端經(jīng)RP3分壓（由R7、RP3、R8、RP4、R9構(gòu)成串聯(lián)回路）后通過(guò)R16加至IC1A③端同相輸入端，與IC1A反相輸入端電壓比較。當(dāng)V③＞V②時(shí)，則IC1A輸出端①輸出“0”電平，從而使IC2⑥端復(fù)位為“0”，IC2輸出端⑧處于延時(shí)工作狀態(tài)。

圖2 工作時(shí)序圖

2欠壓保護(hù)工作狀態(tài)
① 時(shí)序圖分析
如工作電壓超出其欠壓設(shè)定值時(shí),吸合工作觸點(diǎn)進(jìn)入所設(shè)定的延時(shí)保護(hù)狀態(tài)(設(shè)定時(shí)間為0～30s)。待延時(shí)結(jié)束后，控制器工作觸點(diǎn)釋放，由接通狀態(tài)變至斷開(kāi)狀態(tài)，直至電壓重新回至正常電壓工作帶。在工作時(shí)序圖中，保護(hù)觸點(diǎn)狀態(tài)2、3即為欠壓保護(hù)工作狀態(tài)。

② 工作原理分析
如圖3所示，欠壓保護(hù)機(jī)理與過(guò)壓保護(hù)非常相似。RP4是欠壓保護(hù)設(shè)定電位器，IC4三端穩(wěn)壓電壓輸出電壓經(jīng)RP4分壓后通過(guò)R17加至IC1B⑥端，與⑤端電壓值比較。此時(shí)，過(guò)壓保護(hù)基準(zhǔn)設(shè)定電位器RP1處于欠壓狀態(tài)，RP1取樣電壓值也隨之下降，使得IC1B中V⑤＜V⑥，則IC1B輸出端⑦輸出 “0”電平，從而將IC2⑥端MR手動(dòng)控制端置為“0”， IC2輸出端⑧端處于延時(shí)工作狀態(tài)。

圖3工作原理圖

在過(guò)欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)上，為保證保護(hù)線路準(zhǔn)確可靠地進(jìn)行過(guò)壓或欠壓保護(hù)，將過(guò)欠壓設(shè)定基準(zhǔn)（RP1設(shè)定）電壓分別接至IC1A反相輸入②端和IC1B同相輸入⑤端，從而保證了過(guò)壓或欠壓保護(hù)的唯一性。另外在電路中增加了VD4、VD3以保證在相應(yīng)反饋回路中，如出現(xiàn)過(guò)壓或欠壓狀態(tài)，工作單元能可靠地工作；加入IC2中⑥端的VD1、VD2、VD5構(gòu)成了“與”門電路，實(shí)現(xiàn)了過(guò)壓、欠壓、靈敏度等保護(hù)功能。

3正常工作狀態(tài)
當(dāng)保護(hù)器外接工作電源在正常電壓下工作時(shí)，無(wú)欠壓或過(guò)壓發(fā)生。IC1A輸出端①和IC2B輸出端⑦均為“1”電平，使得IC2⑥端為“1”，輸出端⑧處于延時(shí)工作狀態(tài)（輸出高電平），直到下一次過(guò)壓或欠壓情況發(fā)生。

4相位靈敏度保護(hù)
在保護(hù)器處于正常工作帶時(shí)（此時(shí)三相電源為正相序L1、L2、L3），如靈敏度超出設(shè)定值，保護(hù)器工作觸點(diǎn)進(jìn)入延時(shí)保護(hù)狀態(tài)，直至延時(shí)保護(hù)觸點(diǎn)斷開(kāi)。當(dāng)檢測(cè)的電壓值逐漸小于設(shè)定值且低于最小值時(shí)，工作保護(hù)觸點(diǎn)重新開(kāi)始接通。

在保護(hù)器電源輸入端⑤、⑥、⑦串接相應(yīng)的RC移相電路（R4、RP9、C11、RP10、R5、R3）。調(diào)整相應(yīng)電位器RP9、RP10，使加至整流橋輸入端M、Q的電壓為確定值（在保護(hù)器工作電源處于額定電壓下進(jìn)行調(diào)整）。如工作電壓有波動(dòng)，則由相應(yīng)RC移相電路使整流橋電壓輸入端電壓發(fā)生變化，從而使IC3A②端電壓Vcc也發(fā)生變化。在取樣電路中加入V1穩(wěn)壓管，則保證電壓檢測(cè)值不得超過(guò)V1穩(wěn)壓值。如超出，則IC3A中V③＜V②，輸出①端為“0”，并使IC3B⑤端電平為“0”（C6經(jīng)R28放電，電平下降）；同時(shí)，IC3B輸入端V⑤＜V⑥（V⑥電平由R24、R23分壓取得），輸出端⑦亦為“0”，使IC2⑥端電平為“0”，產(chǎn)品處于保護(hù)狀態(tài)。

相位靈敏度的調(diào)整電路由RP2、RP5組成，其將設(shè)定的電壓值由R26加至IC3A同相輸入端③，與經(jīng)RC移相處理后所產(chǎn)生的Vcc比較。通常情況下，Vcc電壓值應(yīng)小于V1穩(wěn)壓值。當(dāng)IC3A中V③＞V②時(shí)，IC3A輸出①端為“1”，保證IC3B中V⑤＞V⑥（V⑤電壓經(jīng)VD7向C6快速充電），輸出端⑦為“1”，使IC2⑥端為“1”，則相位靈敏度保護(hù)不工作。

5相序保護(hù)
①工作時(shí)序圖分析
在保護(hù)器電壓處于正常工作帶時(shí)，且工作電源端所加電壓相序（L1、L2、L3）為正相序，工作保護(hù)觸點(diǎn)吸合。如L1電壓呈斷相狀態(tài)時(shí)，則其余兩相呈過(guò)壓狀態(tài)，保護(hù)器也隨之進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。當(dāng)L1相又重新恢復(fù)供電，且加入電壓的L1、L2、L3都在其規(guī)定的正常工作帶范圍內(nèi)時(shí)，保護(hù)觸點(diǎn)6又重新開(kāi)始吸合工作。

當(dāng)加入工作電源輸入端由L1、L2、L3變?yōu)長(zhǎng)2、L1、L3或L3、L2、L1時(shí)，因相序發(fā)生變化，保護(hù)器的保護(hù)觸點(diǎn)都呈釋放斷開(kāi)狀態(tài)，無(wú)保護(hù)功能。

②相序保護(hù)原理分析
電源輸入端⑤、⑥、⑦上所加的RC移相電路起相序鑒別和保護(hù)作用。以下為其相序矢量圖。

A相序正常時(shí)矢量分析（L1、L2、L3）

圖4 正常相序

圖5 正常相序矢量圖

B相序變化時(shí)矢量分析（L2、L1、L3）

圖6 變化相序I

圖7 變化相序矢量圖I

C相序變化時(shí)矢量分析（L3、L2、L1）

圖8 變化相序II

圖9 變化相序矢量圖II

通過(guò)分析可知，當(dāng)相應(yīng)相序發(fā)生變化后，整流橋輸入電壓值UMQ也隨之變化，并使得IC3A反相輸入端②的Vcc電壓隨其變化。

當(dāng)保護(hù)器所加相序?yàn)長(zhǎng)1、L2、L3時(shí)，IC3A中同相輸入端③端電壓V③＞V②（Vcc），此時(shí)IC2手動(dòng)復(fù)位控制端MR為“1”，計(jì)時(shí)器呈自動(dòng)復(fù)位導(dǎo)通狀態(tài)，如出現(xiàn)過(guò)壓、欠壓等狀態(tài)，吸合觸點(diǎn)進(jìn)入延時(shí)保護(hù)狀態(tài)。待完成延時(shí)保護(hù)狀態(tài)后，吸合觸點(diǎn)斷開(kāi)，直到工作電壓L1、L2、L3又重歸至安全電壓工作帶。

保護(hù)器所加相序發(fā)生變化后，整流橋輸入電壓值UMQ增大，從而使Vcc隨之增大，IC3A中同相輸入端③的電壓V③＜V②，IC2手動(dòng)復(fù)位控制端MR為“0”，計(jì)時(shí)器工作延時(shí)，而IC2輸出控制端為“1”，此時(shí)計(jì)算器不在清零控制狀態(tài)，則輸出狀態(tài)Q端（8端）輸出為“0”，保護(hù)繼電器觸點(diǎn)呈釋放狀態(tài)。

觸點(diǎn)保護(hù)狀態(tài)
保護(hù)器對(duì)所供電壓進(jìn)行取樣檢測(cè),如電壓出現(xiàn)異常時(shí),保護(hù)器內(nèi)部執(zhí)行繼電器都會(huì)先延時(shí)后釋放，進(jìn)行可靠的保護(hù)。為實(shí)現(xiàn)上述功能，需要選擇可編程定時(shí)電路4541。延時(shí)部分可通過(guò)集成電路①～③腳外接RTC、CTC來(lái)完成。通過(guò)集成輸入、輸出控制端的設(shè)定來(lái)控制輸出端Q的起始電平狀態(tài)，并在輸出端處串接V2穩(wěn)壓管以保證控制輸出滿足要求。

保護(hù)器內(nèi)部繼電器線圈始終有工作電流通過(guò)，繼電器吸合。如發(fā)生過(guò)壓、欠壓情況，V3在導(dǎo)通工作延時(shí)后變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，V2指示燈熄滅，繼電器釋放。在驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路中增加R12、R31、R30、V4，可保證產(chǎn)品在過(guò)壓情況下起到相應(yīng)的保護(hù)功能。