三相保护电路论文和设计-庞正威

全文摘要

本实用新型涉及三相电控制输出技术领域，尤其涉及一种三相保护电路。其包括：3个电流小比例采集单元、3个整流单元、一级比较输出电路、二级比较输出电路、放大电路以及三级比较控制电路。本实用新型通过对三相电的电流进行比较，判断出三相电的缺相或不平衡，并控制三相电的输出，保护用电设备。

主设计要求

1.三相保护电路，其特征在于：其包括：3个电流小比例采集单元，分别用于对A相、B相、C相的供电电流以预定比例采集，电流小比例采集单元的两个输出端之间连接有电阻；3个整流单元，分别与电流小比例采集单元连接，对采集的电流进行整流并对外输出A相直流电、B相直流电、C相直流电；一级比较输出电路，设有两个输出端，其中一个输出端输出A相直流电、B相直流电中电势较大的直流电，设为X相直流电；另一个输出端输出A相直流电、B相直流电中电势较小的直流电，设为Y相直流电；二级比较输出电路，设有两个输出端，其中一输出端输出C相直流电、X相直流电中电势较大的直流电，设为K相直流电；另一个输出端输出C相直流电、X相直流电中电势较小的直流电，设为Z相直流电；放大电路，分别对Y相直流电、K相直流电、Z相直流电放大，得到Y相放大直流电、K相放大直流电、Z相放大直流电，其中，Y相直流电、Z相直流电的放大倍数均为M，K相直流电的放大倍数为N，N＆lt;M；三级比较控制电路，包括用于控制三相电输出的开关电路以及运放U9、运放U10，开关电路包括开关管，K相放大直流电、Y相放大直流电分别连接于运放U9的同相输入端、反相输入端；且K相放大直流电、Z相放大直流电分别连接于运放U10的同相输入端、反相输入端；运放U9、运放U10的输出端均通过电阻R12与开关管的控制端连接。

设计方案

1.三相保护电路，其特征在于：其包括：

3个电流小比例采集单元，分别用于对A相、B相、C相的供电电流以预定比例采集，电流小比例采集单元的两个输出端之间连接有电阻；

3个整流单元，分别与电流小比例采集单元连接，对采集的电流进行整流并对外输出A相直流电、B相直流电、C相直流电；

一级比较输出电路，设有两个输出端，其中一个输出端输出A相直流电、B相直流电中电势较大的直流电，设为X相直流电；另一个输出端输出A相直流电、B相直流电中电势较小的直流电，设为Y相直流电；

二级比较输出电路，设有两个输出端，其中一输出端输出C相直流电、X相直流电中电势较大的直流电，设为K相直流电；另一个输出端输出C相直流电、X相直流电中电势较小的直流电，设为Z相直流电；

放大电路，分别对Y相直流电、K相直流电、Z相直流电放大，得到Y相放大直流电、K相放大直流电、Z相放大直流电，其中，Y相直流电、Z相直流电的放大倍数均为M，K相直流电的放大倍数为N，N<M；

三级比较控制电路，包括用于控制三相电输出的开关电路以及运放U9、运放U10，开关电路包括开关管，K相放大直流电、Y相放大直流电分别连接于运放U9的同相输入端、反相输入端；且K相放大直流电、Z相放大直流电分别连接于运放U10的同相输入端、反相输入端；运放U9、运放U10的输出端均通过电阻R12与开关管的控制端连接。

2.根据权利要求1所述的三相保护电路，其特征在于：电流小比例采集单元包括电流互感器。

3.根据权利要求1所述的三相保护电路，其特征在于：整流单元为：全桥电路。

4.根据权利要求3所述的三相保护电路，其特征在于：全桥电路的输出端通过滤波电容接地。

5.根据权利要求1所述的三相保护电路，其特征在于：所述一级比较输出电路包括运放U1、PNP型的三极管Q1、光耦U11、光耦U12、光耦U13、光耦U14以及电阻R1、电阻R2，电阻R2的一端与电源VCC连接，电阻R2的另一端依次与光耦U11、光耦U12的发光部串联，光耦U12的发光部输出端与三极管Q1的e极连接，运放U1的同相输入端、反相输入端分别与A相直流电、B相直流电连接，运放U1的输出端与三极管Q1的b极连接，三极管Q1的c极接地；运放U1的输出端依次通过电阻R1、光耦U13、光耦U14的发光部接地；B相直流电分别与光耦U11的受光部输入端、光耦U13的受光部输入端连接，A相直流电分别与光耦U12的受光部输入端、光耦U14的受光部输入端连接；光耦U11的受光部输出端、光耦U14的受光部输出端与所述一级比较输出电路的其中一个输出端连接；光耦U12的受光部输出端、光耦U13的受光部输出端与一级比较输出电路的另一个输出端连接。

6.根据权利要求5所述的三相保护电路，其特征在于：所述二级比较输出电路包括运放U2、PNP型的三极管Q2、光耦U15、光耦U16、光耦U17、光耦U18以及电阻R3、电阻R4，电阻R4的一端与电源VCC连接，电阻R4的另一端依次与光耦U15、光耦U16的发光部串联，光耦U16的发光部输出端与三极管Q2的e极连接，运放U2的同相输入端、反相输入端分别与X相直流电、C相直流电连接，运放U2的输出端与三极管Q2的b极连接，三极管Q2的c极接地；运放U2的输出端依次通过电阻R3、光耦U17、光耦U18的发光部接地；C相直流电分别与光耦U15的受光部输入端、光耦U17的受光部输入端连接，X相直流电分别与光耦U16的受光部输入端、光耦U18的受光部输入端连接；光耦U16的受光部输出端、光耦U17的受光部输出端与所述二级比较输出电路的其中一个输出端连接；光耦U15的受光部输出端、光耦U18的受光部输出端与一级比较输出电路的另一个输出端连接。

7.根据权利要求6所述的三相保护电路，其特征在于：放大电路包括用于对Y相直流电放大的第一放大电路、用于对K相直流电放大的第二放大电路以及用于对Z相直流电放大的第三放大电路，所述第一放大电路包括运放U3，运放U3的同相输入端与Y相直流电连接，所述U3的输出端通过串联的电阻R6、电阻R5接地；运放U3的反相输入端连接于电阻R5和电阻R6之间；所述第二放大电路包括运放U5，运放U5的同相输入端与Z相直流电连接，所述U5的输出端通过串联的电阻R9、电阻R8接地；运放U5的反相输入端连接于电阻R8和电阻R9之间；所述第三放大电路包括运放U4、运放U6，运放U4和运放U6的同相输入端均与Y相直流电连接，所述运放U4的输出端通过串联的可变电阻VR1、电阻R7接地；所述运放U6的输出端通过串联的可变电阻VR2、电阻R10接地；运放U4的反相输入端连接于可变电阻VR1和电阻R7之间；运放U6的反相输入端连接于可变电阻VR2和电阻R10之间。

8.根据权利要求1所述的三相保护电路，其特征在于：所述开关电路包括电磁开关FR，电磁开关FR的控制部的输入端与电源VCC连接，控制部的输出端通过所述开关管接地；电磁开关的开关部包括用于控制三相电输出的切换开关。

9.根据权利要求8所述的三相保护电路，其特征在于：所述控制部并联有故障指示灯。

10.根据权利要求9所述的三相保护电路，其特征在于：还包括不平衡指示电路，不平衡指示电路包括运放U7、运放U8以及三极管Q3，K相放大直流电、Y相放大直流电分别连接于运放U7的同相输入端、反相输入端；且K相放大直流电、Z相放大直流电分别连接于运放U8的同相输入端、反相输入端；运放U7、运放U8的输出端均通过电阻R11与三极管Q3的基极连接，三极管Q3的集电极通过串联的不平衡指示灯与电源VCC连接，三极管Q3的发射极接地。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及三相电控制输出技术领域，尤其涉及一种三相保护电路。

背景技术

在工业生产应用中，大多数为三相用电设备，而在终端用电设备使用过程中，用户一般不考虑三相电的平衡以及缺相问题；主要原因有：1、对三相电流不平衡的危害认识不够。2、没有专门的三相电流不平衡保护设备。3、增加三相电流不平衡保护需要增加额外的费用。然而三相电流不平衡会对用电设备造成多种危害：1、旋转电机在不对称状态下运行，会使转子产生附加损耗及发热，从而引起电机整体或局部升温，此外反向磁场产生附加力矩会使电动机出现振动。对发电机而言，在定子中还会形成一系列高次谐波。2、引起以负序分量为启动的元件的多种保护发生误动作，直接危害电网运行。3、对发电机、变压器而言，当三相负载不平衡时，如控制最大相电流为额定值，则其余两项就不能满足负载，因而设备利用率下降，反之如要维持额定容量，将会造成负荷较大的一相过荷，而且还会出现磁路不平衡致使波形畸变，设备附加损耗增加等。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种三相保护电路，在用电设备接入三相电之前，对三相电进行检测，能够避免用电设备使用不平衡的三相电，保护用电设备。

三相保护电路，其包括：

3个电流小比例采集单元，分别用于对A相、B相、C相的供电电流以预定比例采集，电流小比例采集单元的两个输出端之间连接有电阻；

3个整流单元，分别与电流小比例采集单元连接，对采集的电流进行整流并对外输出A相直流电、B相直流电、C相直流电；

进一步地，电流小比例采集单元包括电流互感器。

进一步地，整流单元为：全桥电路。优选地，全桥电路的输出端通过滤波电容接地。

进一步地，所述一级比较输出电路包括运放U1、PNP型的三极管Q1、光耦U11、光耦U12、光耦U13、光耦U14以及电阻R1、电阻R2，电阻R2的一端与电源VCC连接，电阻R2的另一端依次与光耦U11、光耦U12的发光部串联，光耦U12的发光部输出端与三极管Q1的e极连接，运放U1的同相输入端、反相输入端分别与A相直流电、B相直流电连接，运放U1的输出端与三极管Q1的b极连接，三极管Q1的c极接地；运放U1的输出端依次通过电阻R1、光耦U13、光耦U14的发光部接地；B相直流电分别与光耦U11的受光部输入端、光耦U13的受光部输入端连接，A相直流电分别与光耦U12的受光部输入端、光耦U14的受光部输入端连接；光耦U11的受光部输出端、光耦U14的受光部输出端与所述一级比较输出电路的其中一个输出端连接；光耦U12的受光部输出端、光耦U13的受光部输出端与一级比较输出电路的另一个输出端连接。

进一步地，所述二级比较输出电路包括运放U2、PNP型的三极管Q2、光耦U15、光耦U16、光耦U17、光耦U18以及电阻R3、电阻R4，电阻R4的一端与电源VCC连接，电阻R4的另一端依次与光耦U15、光耦U16的发光部串联，光耦U16的发光部输出端与三极管Q2的e极连接，运放U2的同相输入端、反相输入端分别与X相直流电、C相直流电连接，运放U2的输出端与三极管Q2的b极连接，三极管Q2的c极接地；运放U2的输出端依次通过电阻R3、光耦U17、光耦U18的发光部接地；C相直流电分别与光耦U15的受光部输入端、光耦U17的受光部输入端连接，X相直流电分别与光耦U16的受光部输入端、光耦U18的受光部输入端连接；光耦U16的受光部输出端、光耦U17的受光部输出端与所述二级比较输出电路的其中一个输出端连接；光耦U15的受光部输出端、光耦U18的受光部输出端与一级比较输出电路的另一个输出端连接。

进一步地，放大电路包括用于对Y相直流电放大的第一放大电路、用于对K相直流电放大的第二放大电路以及用于对Z相直流电放大的第三放大电路，所述第一放大电路包括运放U3，运放U3的同相输入端与Y相直流电连接，所述U3的输出端通过串联的电阻R6、电阻R5接地；运放U3的反相输入端连接于电阻R5和电阻R6之间；所述第二放大电路包括运放U5，运放U5的同相输入端与Z相直流电连接，所述U5的输出端通过串联的电阻R9、电阻R8接地；运放U5的反相输入端连接于电阻R8和电阻R9之间；所述第三放大电路包括运放U4、运放U6，运放U4和运放U6的同相输入端均与Y相直流电连接，所述运放U4的输出端通过串联的可变电阻VR1、电阻R7接地；所述运放U6的输出端通过串联的可变电阻VR2、电阻R10接地；运放U4的反相输入端连接于可变电阻VR1和电阻R7之间；运放U6的反相输入端连接于可变电阻VR2和电阻R10之间。

进一步地，所述开关电路包括电磁开关FR，电磁开关FR的控制部的输入端与电源VCC连接，控制部的输出端通过所述开关管接地；电磁开关的开关部包括用于控制三相电输出的切换开关。

优选地，所述控制部并联有故障指示灯。

进一步地，还包括不平衡指示电路，不平衡指示电路包括运放U7、运放U8以及三极管Q3，K相放大直流电、Y相放大直流电分别连接于运放U7的同相输入端、反相输入端；且K相放大直流电、Z相放大直流电分别连接于运放U8的同相输入端、反相输入端；运放U7、运放U8的输出端均通过电阻R11与三极管Q3的基极连接，三极管Q3的集电极通过串联的不平衡指示灯与电源VCC连接，三极管Q3的发射极接地。

本实用新型的有益效果：本实用新型通过对三相电的电流进行比较，判断出三相电的缺相或不平衡，并控制三相电的输出，保护用电设备。

附图说明

图1为本实施例电流小比例采集单元和整流单元的一种电路原理示意图。

图2为本实施例一级比较输出电路、二级比较输出电路、放大电路、三级比较控制电路以及不平衡指示电路的一种电路原理示意图。

图3为开关电路示意图。

附图标记包括：

1——电流小比例采集单元，2——整流单元；3——一级比较输出电路；4——二级比较输出电路；5——放大电路；6——三级比较控制电路；7——不平衡指示电路。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型进行详细的描述。如图1至图3所示。

实施例：三相保护电路，其包括：

3个电流小比例采集单元1，分别用于对A相、B相、C相的供电电流以预定比例采集，电流小比例采集单元1的两个输出端之间连接有电阻；

3个整流单元2，分别与电流小比例采集单元1连接，对采集的电流进行整流并对外输出A相直流电、B相直流电、C相直流电；

一级比较输出电路3，设有两个输出端，其中一个输出端输出A相直流电、B相直流电中电势较大的直流电，设为X相直流电；另一个输出端输出A相直流电、B相直流电中电势较小的直流电，设为Y相直流电；

二级比较输出电路4，设有两个输出端，其中一输出端输出C相直流电、X相直流电中电势较大的直流电，设为K相直流电；另一个输出端输出C相直流电、X相直流电中电势较小的直流电，设为Z相直流电；

放大电路5，分别对Y相直流电、K相直流电、Z相直流电放大，得到Y相放大直流电、K相放大直流电、Z相放大直流电，其中，Y相直流电、Z相直流电的放大倍数均为M，K相直流电的放大倍数为N，N<M；

三级比较控制电路6，包括用于控制三相电输出的开关电路以及运放U9、运放U10，开关电路包括开关管，K相放大直流电、Y相放大直流电分别连接于运放U9的同相输入端、反相输入端；且K相放大直流电、Z相放大直流电分别连接于运放U10的同相输入端、反相输入端；运放U9、运放U10的输出端均通过电阻R12与开关管的控制端连接。

本技术方案在应用时，A相直流电、B相直流电、C相直流电通过3个电流小比例采集单元1形成3相的直流电，由于电流小比例采集单元1的两个输出端之间连接有电阻，因此形成具有一定电压的直流电，在实际应用中，3个采集单元的电阻均相等，每相直流电的电压与每相直流电的电流呈预定的正比；通过一级比较输出电路3、二级比较输出电路4将A相直流电、B相直流电、C相直流电中的最大电压直流电挑选出来，也就是最大电流的直流电；将其设置为Z相直流电；在具体使用过程中，三相电的电流在正常情况下是具有电流差的，只是比较小而已；为了方便识别出，电流差别大或缺相的电流，本技术方案采用对3相的直流电进行放大，且两个电流较小的相电流发大倍数稍微大一点，如M=2、N=1.9，（M、N视情况而定）；即Y相直流电、Z相直流电的放2倍数，K相直流电的放大1.9倍，这样缩小正常情况下的差距，正常情况下电流较小的相电流在放大后，会大于先前电流最大的相电流。然后对放大后的3相直流电进行比较，如果K相放大直流电仍然大于Y相直流电、Z相直流电中的一个，则运放U9或U10对外输出高电平，开关管形成通路，开关电路工作，三相电停止对外输出。此时说明三相电中电流较小的相，出现电流非常小，或缺相。否则，运放U9或U10对外输出低电平，开关管截止，开关电路不工作，三相电继续对外输出。

进一步地，电流小比例采集单元1包括电流互感器。

通过电路互感器，对三相电流进行小比例采集，如1\/2000，或者更低。

进一步地，整流单元2为：全桥电路。优选地，全桥电路的输出端通过滤波电容接地。

采用全桥电路进行整流，提高利用率。其次，滤波电容对整流后的直流电进行滤波处理，减少背景噪声。

进一步地，所述一级比较输出电路3包括运放U1、PNP型的三极管Q1、光耦U11、光耦U12、光耦U13、光耦U14以及电阻R1、电阻R2，电阻R2的一端与电源VCC连接，电阻R2的另一端依次与光耦U11、光耦U12的发光部串联，光耦U12的发光部输出端与三极管Q1的e极连接，运放U1的同相输入端、反相输入端分别与A相直流电、B相直流电连接，运放U1的输出端与三极管Q1的b极连接，三极管Q1的c极接地；运放U1的输出端依次通过电阻R1、光耦U13、光耦U14的发光部接地；B相直流电分别与光耦U11的受光部输入端、光耦U13的受光部输入端连接，A相直流电分别与光耦U12的受光部输入端、光耦U14的受光部输入端连接；光耦U11的受光部输出端、光耦U14的受光部输出端与所述一级比较输出电路3的其中一个输出端连接；光耦U12的受光部输出端、光耦U13的受光部输出端与一级比较输出电路3的另一个输出端连接。

当A相直流电的电压大于B相直流电的电压时，运放U1的输出端为高电平，此时三极管Q1截止；光耦U13、光耦U14工作；光耦U11、光耦U12断路不工作，而一级比较输出电路3的其中一个输出端输出的是A相直流电，另一个输出端输出的是B相直流电。当A相直流电的电压小于B相直流电的电压时，运放U1的输出端为低电平，此时三极管Q1导通；光耦U11、光耦U12通路并工作；光耦U13、光耦U14断路不工作，一级比较输出电路3的其中一个输出端输出的是B相直流电，另一个输出端输出的是A相直流电。由此，一级比较输出电路3的其中一个输出端输出的是A相直流电、B相直流电中的较高直流电，设为X相直流电；另一个输出端输出的是A相直流电、B相直流电中的较低直流电，设为Y相直流电。

进一步地，所述二级比较输出电路4包括运放U2、PNP型的三极管Q2、光耦U15、光耦U16、光耦U17、光耦U18以及电阻R3、电阻R4，电阻R4的一端与电源VCC连接，电阻R4的另一端依次与光耦U15、光耦U16的发光部串联，光耦U16的发光部输出端与三极管Q2的e极连接，运放U2的同相输入端、反相输入端分别与X相直流电、C相直流电连接，运放U2的输出端与三极管Q2的b极连接，三极管Q2的c极接地；运放U2的输出端依次通过电阻R3、光耦U17、光耦U18的发光部接地；C相直流电分别与光耦U15的受光部输入端、光耦U17的受光部输入端连接，X相直流电分别与光耦U16的受光部输入端、光耦U18的受光部输入端连接；光耦U16的受光部输出端、光耦U17的受光部输出端与所述二级比较输出电路4的其中一个输出端连接；光耦U15的受光部输出端、光耦U18的受光部输出端与一级比较输出电路3的另一个输出端连接。

二级比较输出电路4与一级比较输出电路3类似，当X相直流电的电压大于C相直流电的电压时，运放U2的输出端为高电平，此时三极管Q2截止；光耦U17、光耦U18工作；光耦U15、光耦U16断路不工作，二级比较输出电路4的其中一个输出端输出的是X相直流电，另一个输出端输出的是C相直流电。当X相直流电的电压小于C相直流电的电压时，运放U2的输出端为低电平，此时三极管Q2导通；光耦U15、光耦U16通路并工作；光耦U17、光耦U18断路不工作，二级比较输出电路4的其中一个输出端输出的是C相直流电，另一个输出端输出的是X相直流电。由此，二级比较输出电路4的其中一个输出端输出的是X相直流电、C相直流电中的较高直流电，设为K相直流电；另一个输出端输出的是X相直流电、C相直流电中的较低直流电，设为Z相直流电。

进一步地，放大电路5包括用于对Y相直流电放大的第一放大电路5、用于对K相直流电放大的第二放大电路5以及用于对Z相直流电放大的第三放大电路5，所述第一放大电路5包括运放U3，运放U3的同相输入端与Y相直流电连接，所述U3的输出端通过串联的电阻R6、电阻R5接地；运放U3的反相输入端连接于电阻R5和电阻R6之间；所述第二放大电路5包括运放U5，运放U5的同相输入端与Z相直流电连接，所述U5的输出端通过串联的电阻R9、电阻R8接地；运放U5的反相输入端连接于电阻R8和电阻R9之间；所述第三放大电路5包括运放U4、运放U6，运放U4和运放U6的同相输入端均与Y相直流电连接，所述运放U4的输出端通过串联的可变电阻VR1、电阻R7接地；所述运放U6的输出端通过串联的可变电阻VR2、电阻R10接地；运放U4的反相输入端连接于可变电阻VR1和电阻R7之间；运放U6的反相输入端连接于可变电阻VR2和电阻R10之间。

放大电路5通过运放进行放大，在具有应用时，电阻R5、电阻R6的比例与电阻R8、电阻R9的比例相同，即Y相直流电、Z相直流电的放大比例相同。可变电阻VR1与电阻R7的比例与可变电阻VR2与电阻R10的比例相同或不同，两个运放对K相直流电的放大比例保持不变。可变电阻VR1、可变电阻VR2的阻值可根据需要进行调整，可变电阻VR1、可变电阻VR2可采用电阻箱、滑动电阻等。

参见图3，进一步地，所述开关电路包括电磁开关FR，电磁开关FR的控制部的输入端与电源VCC连接，控制部的输出端通过所述开关管接地；电磁开关的开关部包括用于控制三相电输出的切换开关。

优选地，所述控制部并联有故障指示灯。

在正常使用下，开关管截止，控制部不工作，切换开关在三相电正常输出的状态下；当出现三相不平衡或缺相的情况，开关管导通，控制部工作，切换开关进行开关切换，三相电停止输出。同时，故障指示灯工作，对故障进行提示。开关管可以为三极管，如附图中的NPN三极管Q4。

进一步地，还包括不平衡指示电路7，不平衡指示电路7包括运放U7、运放U8以及三极管Q3，K相放大直流电、Y相放大直流电分别连接于运放U7的同相输入端、反相输入端；且K相放大直流电、Z相放大直流电分别连接于运放U8的同相输入端、反相输入端；运放U7、运放U8的输出端均通过电阻R11与三极管Q3的基极连接，三极管Q3的集电极通过串联的不平衡指示灯与电源VCC连接，三极管Q3的发射极接地。

当出现不平衡时，运放U7、运放U8中一个输出端为高电平，三极管Q3导通，不平衡指示灯发光给予指示。其原理与三级比较控制电路6类似。

以上内容仅为本实用新型的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

设计图

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