一种过压欠压及延时保护电路的设计

作者:  来源:中国电子商情

发布时间:2015-04-23

引言
  在工业控制中，用电设备通常工作在三相电源中，而很多用电设备在使用中对相应提供的工作电源有着较高的要求。通常电网产生的电压偏高（是指给定的瞬间设备端电压U与设备额定电压Un之差），又因为大功率电动机的起动、电焊机的工作，特别是大型电弧炉和大型轧钢机冲击性负荷的工作，均会引起负荷的急剧变动，使电网电压损耗随之产生相应变动，从而使用户公共供电点的电压出现波动现象。而上述情况所造成的电压波动，又会给用电设备造成不应有的过压、欠压现象。如长时间供给用电设备，则会对用电设备造成损坏。所以在用电设备使用中，会加入相应的保护电路，以保证用电设备在正常的供电状态下使用。当供电线路出现过（欠）压时，如有保护电路进行有效保护，就能确保用电设备安全正常运行。

设计思路
  本文中所设计的保护电路通过对所供电设备电压进行取样检测，如电压出现过压、欠压现象时，保护电路内部执行继电器延时，释放，即保护电路在正常工作时无过压、欠压情况下内部执行继电器呈吸合状态，从而达到对用电设备的保护。工作状态图如图1所示。

 工作状态图
  过压状态
从图1可见，当加入工作电压大于欠压状态最高值，且小于过压状态最小值时，保护电路内部执行继电器呈吸合状态。当电网电压超出过压设定值时，此时保护器进入延时保护工作状态，延时T（时间）到达后，内部执行继电器由吸合状态转为释放。

  欠压状态
  当加入工作电压小于过压状态最小值，且大于欠压状态最高值时，保护电路内部执行继电器呈吸合工作状态。当电网电压低于欠压设定值时，此时保护电路进入延时保护工作状态，延时T（时间）到达后，内部执行继电器由吸合状态转为释放。

延时工作部分
  保护电路根据过压、欠压设定值，对延时保护加入时间可调功能，以满足不同的过压、欠压保护。本例中可采用MC4541摩托罗拉公司的可编程定时集成电路来完成该功能。通过集成①~③脚为时钟振荡器外接电阻（①脚RTC为定时电阻可调），电容②脚（CTC定时电容）来实现延时。
 
  这里，具体延时时间T=1.2×2nRRTC×CCTC，由于定时集成电路的○12、○13脚为A、B，且A=0，B=0，2n=8192，T=1.2×8192×1×106×3.3×10-9=32s。
相应设定时间由RRTC来调整。外围⑥脚MR为手动复位控制端，低电平“0”时，计时器工作延时，高电平“1”时，计时器自动复位导通。⑨脚 输出高或低电平选择端，⑩脚MODE单定时或循环定时选择端分别选择“1”和“0”时，则⑧脚Q输出端工作状态为通电吸合，即输出高电平；当⑥脚MR为低电平“0”时，计时器工作延时待延时结束后，⑧脚由高电平跳变为低电平，外控继电器由吸合变为释放。
 保护电路技术参数
过压保护参数
  保护电路过压参数设置为：412V、424V、436V、448V、460V、472V。可根据需求进行过压值设定。

欠压保护参数
  保护电路欠压参数设置为：376V、364V、352V、340V、328V。可根据需求进行欠压值设定。

保护时间参数
  保护电路延时时间30s可调。可根据过（欠）压值来设定相应时间。

原理分析
本文设计的保护电路如图2所示。

 
工作原理图
原理分析
  在正常工作情况下，被检测的相电压L1、L2、L3分别经三组电压检测电路，且三组相同。将检测的电压信号取出，并与设定的欠压、过压值进行比较。如相电压L1经R22、R23电阻分压，在R23电阻上取出经分压后的交流电压信号，再经VD12、C6整流滤波后，由R21分别加入IC5A的反相输入端和IC5B的同相输入端。并通过IC5A的同相输入端③（即过压设定值管脚）与IC5B的反相输入端⑥（即欠压设定值端）进行过压与欠压比较判定。如属正常工作状态，则IC5A输出端①与IC5B输出端⑦均为高电平“1”，分别加入与门IC2A与IC2C的输入端①和○11。其余两相电压L2、L3工作状态都与之相同。

  当L1、L2、L3相电压都在正常工作电压下工作时，与门IC2C的输出端⑨、⑩均为高电平，经功能转换开关K与IC2B与门处理后，高电平加入IC1⑥端，MR自动复位端使之呈自动复位导通状态，保护线路中KA1吸合，保护触点呈闭合状态。用该闭合触点来控制串接入用电设备接触器的线圈回路中，从而达到设备的正常供电。如在检测比较回路中出现过压或欠压，则IC5A与IC5B的输出端①和⑦会出现低电平“0”，分别会使与门IC2A与IC2C的输出⑨和⑩呈低电平状态，使保护线路进入保护状态。在工作原理中加入IC2B与门，可保证无论出现过压还是欠压，输出端⑥为低电平，经功能转换开关K加入到IC1⑥脚的MR手动复位控制端，使其延时，待延时结束，IC1输出端⑧脚输出低电平，保护电路中KA1线圈失电，保护触点断开，此时用于接入用电设备接触器的线圈释放，外接电源断开，从而保护用电设备。
  欠压（RP3调整）、过压（RP2调整）基准调节时，应结合RP1进行。通常在欠压调整时，三相线电压调至350±10V。此时相应的相电压低于AC220V，从L1、L2、L3取样的相电压处于欠压状态。将RP3调至中间位置，然后再微动调整RP1，此时内部继电器处于临界工作状态，功能开关应位于过压状态下。
 
  在欠压处理上，IC5B（与IC4B、IC3B都相同）同相输入端加入电压并联正反馈，使其在欠压检测时，如工作正常，因正反馈使⑤端电位升高，保证工作状态稳定；同样在过压处理上，IC5A（其与IC4A、IC3A都相同）也在同相输入端③加入电压并联正反馈，在过压检测时，在检测的过压值低于其设定值时，保证工作状态的稳定。

  在保护电路电源部分，供电电源由相电压经变压器T1次级提供工作电压。电源处理时，在加入IC6三端稳压的输入端串接反向稳压管V1，并在驱动V3前端串接反向稳压管V2，可充分保证该相电压处于欠压时，工作电源无法使其电路正常工作，从而保证KA1不能正常吸合，使保护电路处于欠压保护状态。
结束语
  该保护电路属电压取样检测型保护电路，因不受被保护电器及设备功率大小限制得到广泛应用。过压、欠压保护设定较方便，且保护时间准确可调。可根据用电设备的电网质量情况进行有效保护，确保用电设备以及电器产品不因电源质量不良而造成损坏。