具有多种保护功能电路的设计
中心议题:
- 讨论有多种保护功能的设计电路
- 实现过压保护、欠压保护
- 实现灵敏度保护、相序保护
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。
总结
本文通过对具有多种保护功能电路的设计，探讨出一种保护功能较为强大的 一种电路，其实这也是一种设计电路的一种思路，因为你从学会设计保护电路的原理开始，然后考虑到各种电路上可能会出现的问题，这样对我们学会设计出合理而且应用比较广泛的电路是十分重要的。
