CN109672430A - 具有漏电保护与宽电压控制的三相交流固态继电器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有漏电保护与宽电压控制的三相交流固态继电器电路。本发明包括光隔式三相宽电压开关驱动电路、三相漏电保护电路。具体包括A相光耦IC1、B相光耦IC2、C相光耦IC3、A相三极管VT1、B相三极管VT2、C相三极管VT3、逆阻型晶闸管VT4、A相双向晶闸管VT5、B相双向晶闸管VT6、C相双向晶闸管VT7、剩余电流传感器SC1、左正向二极管D1、左负向二极管D2、右正向二极管D3、右负向二极管D4等。本发明能完全地满足可用宽广范围的控制电压对三相交流固态继电器电路进行开关控制，以及对三相交流负载漏电故障进行可靠的实时保护要求。该电路简单、成本低、可靠性高、通用性好，易于产品化。
Description
技术领域
本发明属于工业测控领域，涉及一种电路，特别涉及一种具有漏电保护与宽电压控制的三相交流固态继电器电路，适用于要求对漏电进行保护的三相交流供电或驱动电路中的无触点开关控制的应用场合。
背景技术
无触点式固态继电器由于其具有无机械触点、响应迅速、寿命长等优点而得到日益广泛的应用。尤其是在三相交流供电与三相交流驱动电路中，对漏电保护的要求越来越高，当发生三相交流漏电时要求能及时进行安全保护从而避免发生人身安全事故，对保护动作的实时性要求高。但目前以双向晶闸管(TRIAC)为功率控制器件的三相交流固态继电器对漏电故障尚缺乏具有可靠的自我保护功能的产品。同时，由于应用领域的不断拓展，希望无需调整电路参数就能适应宽广范围的控制电压进行开关控制。因此，如何设计一种能可靠进行漏电保护、电路简单、易于产品化，且能进行宽范围电压驱动控制的三相交流固态继电器方案，是本发明的出发点。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种具有漏电保护与宽电压控制的三相交流固态继电器电路。该电路由光隔式三相宽电压开关驱动电路、三相漏电保护电路组成，其核心是在三相光耦采用并联恒流开关驱动控制方式的基础上，每相以一只双向晶闸管(TRIAC)为功率控制器件，配置剩余电流传感器，并以逆阻型晶闸管为保护控制器件，该电路在三相交流负载发生漏电故障时能可靠进行关断保护。
本发明电路包括光隔式三相宽电压开关驱动电路、三相漏电保护电路。
光隔式三相宽电压开关驱动电路包括A相光耦IC1、B相光耦IC2、C相光耦IC3、A相三极管VT1、B相三极管VT2、C相三极管VT3、A相双向晶闸管VT5、B相双向晶闸管VT6、C相双向晶闸管VT7、A相保护电容C1、B相保护电容C2、C相保护电容C3、输入电阻R1、A相阳极电阻R2、A相限流电阻R3、A相集电极电阻R4、B相阳极电阻R5、B相限流电阻R6、B相集电极电阻R7、C相阳极电阻R8、C相限流电阻R9、C相集电极电阻R10、A相驱动电阻R11、A相门极电阻R12、A相保护电阻R13、B相驱动电阻R14、B相门极电阻R15、B相保护电阻R16、C相驱动电阻R17、C相门极电阻R18、C相保护电阻R19、A相负载Load-A、B相负载Load-B、C相负载Load-C，正驱动端IN+端与输入电阻R1的一端连接，输入电阻R1的另一端与A相阳极电阻R2、A相集电极电阻R4、B相阳极电阻R5、B相集电极电阻R7、C相阳极电阻R8、C相集电极电阻R10、逆阻型晶闸管VT4的阳极连接，A相阳极电阻R2的另一端与A相光耦IC1发光侧的阳极连接，A相光耦IC1发光侧的阴极与A相限流电阻R3的一端、A相三极管VT1的基极连接，A相集电极电阻R4的另一端与A相三极管VT1的集电极连接，B相阳极电阻R5的另一端与B相光耦IC2发光侧的阳极连接，B相光耦IC2发光侧的阴极与B相限流电阻R6的一端、B相三极管VT2的基极连接，B相集电极电阻R7的另一端与B相三极管VT2的集电极连接，C相阳极电阻R8的另一端与C相光耦IC3发光侧的阳极连接，C相光耦IC3发光侧的阴极与C相限流电阻R9的一端、C相三极管VT1的基极连接，C相集电极电阻R10的另一端与C相三极管VT3的集电极连接，A相三极管VT1的射极、B相三极管VT2的射极、C相三极管VT3的射极、A相限流电阻R3的另一端、B相限流电阻R6的另一端、C相限流电阻R9的另一端、逆阻型晶闸管VT4的阴极均与负驱动端IN-端连接。
A相光耦IC1输出侧的一端与A相驱动电阻R11的一端连接，A相光耦IC1输出侧的另一端与A相门极电阻R12的一端、A相双向晶闸管VT5的门极连接，交流电源A相端A端连线穿过剩余电流传感器CS1的检测孔后与A相双向晶闸管VT5的第1阳极、A相驱动电阻R11的另一端、A相保护电阻R13的一端连接，A相保护电阻R13的另一端与A相保护电容C1的一端连接，A相负载Load-A的一端与A相双向晶闸管VT5的第2阳极、A相门极电阻R12的另一端、A相保护电容C1的另一端连接。
B相光耦IC2输出侧的一端与B相驱动电阻R14的一端连接，A相光耦IC1输出侧的另一端与B相门极电阻R15的一端、B相双向晶闸管VT5的门极连接，交流电源B相端B端连线穿过剩余电流传感器CS1的检测孔后与B相双向晶闸管VT6的第1阳极、B相驱动电阻R14的另一端、B相保护电阻R16的一端连接，B相保护电阻R16的另一端与B相保护电容C2的一端连接，B相负载Load-B的一端与B相双向晶闸管VT6的第2阳极、B相门极电阻R15的另一端、B相保护电容C2的另一端连接。
C相光耦IC3输出侧的一端与C相驱动电阻R17的一端连接，C相光耦IC3输出侧的另一端与C相门极电阻R18的一端、C相双向晶闸管VT7的门极连接，交流电源C相端C端连线穿过剩余电流传感器CS1的检测孔后与C相双向晶闸管VT7的第1阳极、C相驱动电阻R17的另一端、C相保护电阻R19的一端连接，C相保护电阻R19的另一端与C相保护电容C3的一端连接，C相负载Load-C的一端与C相双向晶闸管VT7的第2阳极、C相门极电阻R18的另一端、C相保护电容C3的另一端连接。
A相负载Load-A的另一端与B相负载Load-B的另一端、C相负载Load-C的另一端连接后穿过剩余电流传感器CS1的检测孔后与交流电源零线端N端连接。
三相漏电保护电路包括逆阻型晶闸管VT4、剩余电流传感器SC1、左正向二极管D1、左负向二极管D2、右正向二极管D3、右负向二极管D4、转换电阻R20、滤波电阻R21、分压电阻R22、滤波电容C4，剩余电流传感器SC1的第1输出端I1端与左正向二极管D1的阳极、左负向二极管D2的阴极连接，剩余电流传感器SC1的第2输出端I2端与右正向二极管D3的阳极、右负向二极管D4的阴极连接，左正向二极管D1的阴极与右正向二极管D3的阴极、转换电阻R20的一端、滤波电阻R21的一端连接，滤波电阻R21的另一端与分压电阻R22的一端、滤波电容C4的一端、逆阻型晶闸管VT4的门极连接，左负向二极管D2的阳极与右负向二极管D4的阳极、转换电阻R20的另一端、滤波电容C4的另一端、分压电阻R22的另一端均与负驱动端IN-端连接。
本发明的有益效果如下：
本发明以工作于恒流开关控制方式的三只光耦、三只双向晶闸管(TRIAC)、一只逆阻型晶闸管、一只剩余电流传感器、四只二极管等为主的简单电路方案，能完全地满足可用宽广范围的控制电压对三相交流固态继电器电路进行开关控制，以及对三相交流负载漏电故障进行可靠的实时保护要求。该电路简单、成本低、可靠性高、通用性好，易于产品化。
附图说明
图1为本发明的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，具有漏电保护与宽电压控制的三相交流固态继电器电路，包括光隔式三相宽电压开关驱动电路、三相漏电保护电路。
光隔式三相宽电压开关驱动电路包括A相光耦IC1、B相光耦IC2、C相光耦IC3、A相三极管VT1、B相三极管VT2、C相三极管VT3、A相双向晶闸管VT5、B相双向晶闸管VT6、C相双向晶闸管VT7、A相保护电容C1、B相保护电容C2、C相保护电容C3、输入电阻R1、A相阳极电阻R2、A相限流电阻R3、A相集电极电阻R4、B相阳极电阻R5、B相限流电阻R6、B相集电极电阻R7、C相阳极电阻R8、C相限流电阻R9、C相集电极电阻R10、A相驱动电阻R11、A相门极电阻R12、A相保护电阻R13、B相驱动电阻R14、B相门极电阻R15、B相保护电阻R16、C相驱动电阻R17、C相门极电阻R18、C相保护电阻R19、A相负载Load-A、B相负载Load-B、C相负载Load-C，正驱动端IN+端与输入电阻R1的一端连接，输入电阻R1的另一端与A相阳极电阻R2、A相集电极电阻R4、B相阳极电阻R5、B相集电极电阻R7、C相阳极电阻R8、C相集电极电阻R10、逆阻型晶闸管VT4的阳极连接，A相阳极电阻R2的另一端与A相光耦IC1发光侧的阳极连接，A相光耦IC1发光侧的阴极与A相限流电阻R3的一端、A相三极管VT1的基极连接，A相集电极电阻R4的另一端与A相三极管VT1的集电极连接，B相阳极电阻R5的另一端与B相光耦IC2发光侧的阳极连接，B相光耦IC2发光侧的阴极与B相限流电阻R6的一端、B相三极管VT2的基极连接，B相集电极电阻R7的另一端与B相三极管VT2的集电极连接，C相阳极电阻R8的另一端与C相光耦IC3发光侧的阳极连接，C相光耦IC3发光侧的阴极与C相限流电阻R9的一端、C相三极管VT1的基极连接，C相集电极电阻R10的另一端与C相三极管VT3的集电极连接，A相三极管VT1的射极、B相三极管VT2的射极、C相三极管VT3的射极、A相限流电阻R3的另一端、B相限流电阻R6的另一端、C相限流电阻R9的另一端、逆阻型晶闸管VT4的阴极均与负驱动端IN-端连接。
A相光耦IC1输出侧的一端与A相驱动电阻R11的一端连接，A相光耦IC1输出侧的另一端与A相门极电阻R12的一端、A相双向晶闸管VT5的门极连接，交流电源A相端A端连线穿过剩余电流传感器CS1的检测孔后与A相双向晶闸管VT5的第1阳极、A相驱动电阻R11的另一端、A相保护电阻R13的一端连接，A相保护电阻R13的另一端与A相保护电容C1的一端连接，A相负载Load-A的一端与A相双向晶闸管VT5的第2阳极、A相门极电阻R12的另一端、A相保护电容C1的另一端连接。
B相光耦IC2输出侧的一端与B相驱动电阻R14的一端连接，A相光耦IC1输出侧的另一端与B相门极电阻R15的一端、B相双向晶闸管VT5的门极连接，交流电源B相端B端连线穿过剩余电流传感器CS1的检测孔后与B相双向晶闸管VT6的第1阳极、B相驱动电阻R14的另一端、B相保护电阻R16的一端连接，B相保护电阻R16的另一端与B相保护电容C2的一端连接，B相负载Load-B的一端与B相双向晶闸管VT6的第2阳极、B相门极电阻R15的另一端、B相保护电容C2的另一端连接。
C相光耦IC3输出侧的一端与C相驱动电阻R17的一端连接，C相光耦IC3输出侧的另一端与C相门极电阻R18的一端、C相双向晶闸管VT7的门极连接，交流电源C相端C端连线穿过剩余电流传感器CS1的检测孔后与C相双向晶闸管VT7的第1阳极、C相驱动电阻R17的另一端、C相保护电阻R19的一端连接，C相保护电阻R19的另一端与C相保护电容C3的一端连接，C相负载Load-C的一端与C相双向晶闸管VT7的第2阳极、C相门极电阻R18的另一端、C相保护电容C3的另一端连接。
A相负载Load-A的另一端与B相负载Load-B的另一端、C相负载Load-C的另一端连接后穿过剩余电流传感器CS1的检测孔后与交流电源零线端N端连接。
三相漏电保护电路包括逆阻型晶闸管VT4、剩余电流传感器SC1、左正向二极管D1、左负向二极管D2、右正向二极管D3、右负向二极管D4、转换电阻R20、滤波电阻R21、分压电阻R22、滤波电容C4，剩余电流传感器SC1的第1输出端I1端与左正向二极管D1的阳极、左负向二极管D2的阴极连接，剩余电流传感器SC1的第2输出端I2端与右正向二极管D3的阳极、右负向二极管D4的阴极连接，左正向二极管D1的阴极与右正向二极管D3的阴极、转换电阻R20的一端、滤波电阻R21的一端连接，滤波电阻R21的另一端与分压电阻R22的一端、滤波电容C4的一端、逆阻型晶闸管VT4的门极连接，左负向二极管D2的阳极与右负向二极管D4的阳极、转换电阻R20的另一端、滤波电容C4的另一端、分压电阻R22的另一端均与负驱动端IN-端连接。
本发明所使用的包括A相光耦IC1、B相光耦IC2、C相光耦IC3、A相三极管VT1、B相三极管VT2、C相三极管VT3、逆阻型晶闸管VT4、A相双向晶闸管VT5、B相双向晶闸管VT6、C相双向晶闸管VT7、左正向二极管D1、剩余电流传感器SC1、左负向二极管D2、右正向二极管D3、右负向二极管D4等在内的所有器件均采用现有的成熟产品，可以通过市场取得。例如：光耦采用MOC3083，三极管采用C9014，剩余电流传感器采用LJ系列零序电流传感器，逆阻型晶闸管采用KK1-2快速晶闸管，双向晶闸管采用BCR系列，二极管采用SB系列肖特基二极管等。
本发明中的主要电路参数配合关系如下：
设：IF为光耦驱动电流(单位：A)，UgTH为逆阻型晶闸管的门极触发电压阈值(单位：V)，剩余电流传感器的被测漏电流与输出电流分别是I0、I2(单位：A)，剩余电流传感器的电流比为ki＝I2/I0，令：I0m为允许的被测漏电流I0的最大值(单位：A)，则：
R3＝R6＝R9＝0.7/IF(1)
R21＞＞R20(2)
式中的，R3、R6、R9分别为A相限流电阻R3、B相限流电阻R6、C相限流电阻R9的阻值(单位：Ω)，R20、R21、R22分别为转换电阻R20、滤波电阻R21、分压电阻R22的阻值(单位：Ω)。
本发明工作过程如下：
(1)输入控制级宽广范围的电压驱动作用：在输入级控制电路中，A相三极管VT1、B相三极管VT2、C相三极管VT3均选用共射极电流放大系数高的三极管，则A相光耦IC1、B相光耦IC2、C相光耦IC3的驱动电流IF由式(1)决定，且三相光耦的发光侧恒流驱动电路采用并联结构以及采用低电流驱动的光耦，以适应低的输入驱动控制电压。因此，当正驱动端IN+端与负驱动端IN-端可施加宽广的开关控制电压时，流过各光耦发光侧的电流均能保持恒定，以确保均能正常驱动各相双向晶闸管。
(2)对三相交流负载的隔离驱动控制作用：本发明电路中的三相驱动控制都具有光电隔离功能，A相光耦IC1、B相光耦IC2、C相光耦IC3的发光控制侧均为恒流控制电路。该电路的正驱动端IN+端接驱动电压的正端，负驱动端IN-端接驱动电压的负端。一般应用中，也可将正驱动端IN+端与上级控制电路的供电电压端连接，负驱动端IN-端作为上级控制电路的开关控制端，则该控制端为低电平时三相光耦同时导通，进而使三相双向晶闸管导通给三相交流负载供电；该控制端为高电平时光耦关断，进而使三相双向晶闸管关断、三相交流负载断电。
(3)三相漏电测控保护作用：本发明电路中，采用剩余电流传感器SC1实时监测三相交流负载电路中的漏电流，一旦发现漏电流达到允许的最大值I0m，则在式(1)、式(2)的电路参数配合以及在以左正向二极管D1、左负向二极管D2、右正向二极管D3、右负向二极管D4、转换电阻R20、滤波电阻R21、分压电阻R22、滤波电容C4为主的整流、滤波、分压电路等作用下，使逆阻晶闸管VT4导通，进而使A相双向晶闸管VT5、B相双向晶闸管VT6、C相双向晶闸管VT7都关断，且关断后在没有进行断电重启工作前，A相双向晶闸管VT5、B相双向晶闸管VT6、C相双向晶闸管VT7均始终保持关断，从而对三相交流负载电路中的漏电起到安全、可靠的保护控制作用。
Claims (2)
1.具有漏电保护与宽电压控制的三相交流固态继电器电路`,包括光隔式三相宽电压开关驱动电路、三相漏电保护电路，特征在于：
光隔式三相宽电压开关驱动电路包括A相光耦IC1、B相光耦IC2、C相光耦IC3、A相三极管VT1、B相三极管VT2、C相三极管VT3、A相双向晶闸管VT5、B相双向晶闸管VT6、C相双向晶闸管VT7、A相保护电容C1、B相保护电容C2、C相保护电容C3、输入电阻R1、A相阳极电阻R2、A相限流电阻R3、A相集电极电阻R4、B相阳极电阻R5、B相限流电阻R6、B相集电极电阻R7、C相阳极电阻R8、C相限流电阻R9、C相集电极电阻R10、A相驱动电阻R11、A相门极电阻R12、A相保护电阻R13、B相驱动电阻R14、B相门极电阻R15、B相保护电阻R16、C相驱动电阻R17、C相门极电阻R18、C相保护电阻R19、A相负载Load-A、B相负载Load-B、C相负载Load-C，正驱动端IN+端与输入电阻R1的一端连接，输入电阻R1的另一端与A相阳极电阻R2、A相集电极电阻R4、B相阳极电阻R5、B相集电极电阻R7、C相阳极电阻R8、C相集电极电阻R10、逆阻型晶闸管VT4的阳极连接，A相阳极电阻R2的另一端与A相光耦IC1发光侧的阳极连接，A相光耦IC1发光侧的阴极与A相限流电阻R3的一端、A相三极管VT1的基极连接，A相集电极电阻R4的另一端与A相三极管VT1的集电极连接，B相阳极电阻R5的另一端与B相光耦IC2发光侧的阳极连接，B相光耦IC2发光侧的阴极与B相限流电阻R6的一端、B相三极管VT2的基极连接，B相集电极电阻R7的另一端与B相三极管VT2的集电极连接，C相阳极电阻R8的另一端与C相光耦IC3发光侧的阳极连接，C相光耦IC3发光侧的阴极与C相限流电阻R9的一端、C相三极管VT1的基极连接，C相集电极电阻R10的另一端与C相三极管VT3的集电极连接，A相三极管VT1的射极、B相三极管VT2的射极、C相三极管VT3的射极、A相限流电阻R3的另一端、B相限流电阻R6的另一端、C相限流电阻R9的另一端、逆阻型晶闸管VT4的阴极均与负驱动端IN-端连接；
A相光耦IC1输出侧的一端与A相驱动电阻R11的一端连接，A相光耦IC1输出侧的另一端与A相门极电阻R12的一端、A相双向晶闸管VT5的门极连接，交流电源A相端A端连线穿过剩余电流传感器CS1的检测孔后与A相双向晶闸管VT5的第1阳极、A相驱动电阻R11的另一端、A相保护电阻R13的一端连接，A相保护电阻R13的另一端与A相保护电容C1的一端连接，A相负载Load-A的一端与A相双向晶闸管VT5的第2阳极、A相门极电阻R12的另一端、A相保护电容C1的另一端连接；
B相光耦IC2输出侧的一端与B相驱动电阻R14的一端连接，A相光耦IC1输出侧的另一端与B相门极电阻R15的一端、B相双向晶闸管VT5的门极连接，交流电源B相端B端连线穿过剩余电流传感器CS1的检测孔后与B相双向晶闸管VT6的第1阳极、B相驱动电阻R14的另一端、B相保护电阻R16的一端连接，B相保护电阻R16的另一端与B相保护电容C2的一端连接，B相负载Load-B的一端与B相双向晶闸管VT6的第2阳极、B相门极电阻R15的另一端、B相保护电容C2的另一端连接；
C相光耦IC3输出侧的一端与C相驱动电阻R17的一端连接，C相光耦IC3输出侧的另一端与C相门极电阻R18的一端、C相双向晶闸管VT7的门极连接，交流电源C相端C端连线穿过剩余电流传感器CS1的检测孔后与C相双向晶闸管VT7的第1阳极、C相驱动电阻R17的另一端、C相保护电阻R19的一端连接，C相保护电阻R19的另一端与C相保护电容C3的一端连接，C相负载Load-C的一端与C相双向晶闸管VT7的第2阳极、C相门极电阻R18的另一端、C相保护电容C3的另一端连接；
A相负载Load-A的另一端与B相负载Load-B的另一端、C相负载Load-C的另一端连接后穿过剩余电流传感器CS1的检测孔后与交流电源零线端N端连接；
三相漏电保护电路包括逆阻型晶闸管VT4、剩余电流传感器SC1、左正向二极管D1、左负向二极管D2、右正向二极管D3、右负向二极管D4、转换电阻R20、滤波电阻R21、分压电阻R22、滤波电容C4，剩余电流传感器SC1的第1输出端I1端与左正向二极管D1的阳极、左负向二极管D2的阴极连接，剩余电流传感器SC1的第2输出端I2端与右正向二极管D3的阳极、右负向二极管D4的阴极连接，左正向二极管D1的阴极与右正向二极管D3的阴极、转换电阻R20的一端、滤波电阻R21的一端连接，滤波电阻R21的另一端与分压电阻R22的一端、滤波电容C4的一端、逆阻型晶闸管VT4的门极连接，左负向二极管D2的阳极与右负向二极管D4的阳极、转换电阻R20的另一端、滤波电容C4的另一端、分压电阻R22的另一端均与负驱动端IN-端连接。
2.根据权利要求1所述的具有漏电保护与宽电压控制的三相交流固态继电器电路，其特征在于电路参数配合关系如下：
设：IF为光耦驱动电流，UgTH为逆阻型晶闸管的门极触发电压阈值，剩余电流传感器的被测漏电流与输出电流分别是I0、I2，剩余电流传感器的电流比为ki＝I2/I0，令：I0m为允许的被测漏电流I0的最大值，则：
R3＝R6＝R9＝0.7/IF (1)
R21＞＞R20 (2)
式中的，R3、R6、R9分别为A相限流电阻R3、B相限流电阻R6、C相限流电阻R9的阻值，R20、R21、R22分别为转换电阻R20、滤波电阻R21、分压电阻R22的阻值。
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