CN201260065Y

CN201260065Y - 一种有定时检测功能的三相电源缺相检测器

Info

Publication number: CN201260065Y
Application number: CNU2008201044312U
Authority: CN
Inventors: 黄中宁
Original assignee: Aluminum Corp of China Ltd
Current assignee: Aluminum Corp of China Ltd
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2008-08-01
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2018-08-01

Abstract

本实用新型提供了一种有定时检测功能的三相电源缺相检测器，将一个定时检测电路加入到三相电源缺相检测器电路中，由定时检测电路对进行三相电源缺相检测时所必然出现的工频脉冲进行计数，当计时电路达到预置值时，立即发出一个定时时间到信号输出电路，由输出电路向外发送定时时间到的超时信号。可在检测三相电源是否缺相的同时由计数器进行电源脉冲计数，实现如同时间继电器功能的超时检测功能，简化有时间保护或限制功能的限时输出系统，增强可靠性和保护性。适合诸如铝电解生产中及其它自控领域有限时控制保护要求的系统使用。

Description

一种有定时检测功能的三相电源缺相检测器

技术领域

本实用新型涉及一种应用于自动控制领域的有定时检测功能的三相电源缺相检测器，它兼有时间继电器的功能，尤其适用于诸如铝电解提升机限时输出保护之类的控制保护应用。

背景技术

现有的三相电源检测器只有单一的缺相检测功能，没有定时检测功能，而一些系统又对定时限时输出要求相对较高。此外，现行的此类检测器取样电流往往过大，取样电阻发热较重，不够节能，可靠性和稳定性偏低，甚至为了解决此问题而取样电路中使用二极管，从而又带来二极管容易被高压击穿的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的旨在将一个三相电源检测功能部份与一个时间继电器部份整合起来，让他们成为一个有机的整体，使其既具有缺相检测功能，也有时间继电器功能，以在某些自控系统中得以更合理的应用。

为了有可供选择的需要，定时检测输出有不同的输出方式。本实用新型所说的定时检测功能，是指一个装置由(或受到)特定信息触发后，达到预置的时间时能发出一个特定讯息的性质。而这个性质，在本实用新型中，和现有的时间继电器相仿，即除了启动方式和状态保护方式不同于普通的继电器以外，输出方式也可以不同于通常意义上的时间继电器。为方便控制器监控定时计时过程是否正常进行，电路还可以提供经功率放大的计数器低位计数输出脉冲输出。

本实用新型解决这样的具体问题：让一个三相电源检测器在测到三相电源没有缺相(电源正常)后，启动时间计时(脉冲计数)电路对来自取样电路的脉冲进行数，当计时时间达到预置时间后，立即发出一个计时时间到信号(超时信号)。

本实用新型采用的技术方案是：

将一个定时检测电路加入到三相电源缺相检测器电路中，由定时检测电路对进行三相电源缺相检测时所必然出现的工频脉冲进行计数，当计时(脉冲计数)电路达到预置值时，立即发出一个定时时间到信号到输出电路，由输出电路向外发送定时时间到的超时信号。该信号输出类型可以根据需要来进行选择，如电磁继电器的无源触点接点输出、固态继电器的电子功率开关输出、电平输出或电子开关输出。超时状态的复位，有自动复位和人工手动复位可选，而超时状态的自动复位和人工手动复位在电路上的差异，在于自动复位不使用手动复位所必须的锁定与保护的逻辑和按键。

方案中的工频脉冲，来自三相电源取样电路必然存在的光电耦合器输出，经比较器电路整形与隔离后，一边去缺相检测判断电路，一边去脉冲计数电路。当缺相检测电路检测到电源没有缺相时，即启动计时(计数)电路。

方案中的定时时间设定(预置)，由一个比较器检测脉冲计数器的输出状态进行。另外，为能给控制器提供监控信号，电路可从计数器的低位提取计数过程的脉冲信号向外输出。

结构特征是：

电路结点[CP1]接光电耦合器[OP1]的E极接光电耦合器[OP2]的C极，电路结点[CP2]接光电耦合器[OP2]的E极、电阻[R7]的一端、比较器[U3C]的同相输入端，电路结点[CP3]接二极管[D3]的阳极、电阻[R10]和电容[C3]的一端，电路结点[CP4]接比较器[U3C]的输出端、电阻[R8、R9和R16]的一端，其中，电阻[R16]的另一端接二极管[D3]的阴极，电路结点[CP5]接电位器[W1]的中间抽头、比较器[U3B和U3D]的同相输入端、比较器[U3C]的反相输入端、电容[C4]的一端，电路结点[CP6]接电阻[R9]的一端、二极管[D4]的阴极、集成电路[U2](CD4060)的第11脚，电路结点[CP7]接按钮[SW1]、电阻[R11]和电容[C6]的一端、接集成电路[U2]的第12脚，电路结点[CP8]接比较器[U3B]的反相输入端、接二极管[D10～D19]的阴极和电阻[R17]的一端，其中，二极管[D10～D19]的阳极依次接集成电路[U2]的一个输出端，电路结点[CP9]接电阻[R11]和[R12]的一端、二极管[D5]和[D6]的阴极，电路结点[CP10]接二极管[D4]、[D5]和[D7]的阳极、接比较器[U3B]的输出端，电路结点[CP11]接二极管[D7]的阴极、电阻[R13]的一端，其中，电阻[R13]的另一端接一只PNP三极管[Q1]的基极，电路结点[CP21]和电路结点[CP22]，各接电路一个输出端，电路结点[GND]接电阻[R7]、[R10]、电容[C3]和C4的另一端、接各集成电路电源地端、电位器[W1]的一个固定端、二极管[D9]的阴极、继电器线圈的一端，电路结点[VCC]接光电耦合器[OP1]发光二极管的C极、电阻[R8]、[R12]的另一端，三极管[Q1]的E极，电位器[W1]的另一个固定端，各集成电路电源端，电路结点[OUT1]接电路一个输出端，同时可以接一只发光二极管[LED1]后，串联一只电阻[R14]再接到电源[VCC]上，电路结点[OUT2]，接三极管[Q1]的C极，二极管[D9]的阳极，继电器线圈的另一端。

检测器的电气结点[CP3]连接到另有一个比较器U3A的反相输入端，该比较器的同相输入端接电位器[W2]的中间抽头，该比较器的输出端接一个二极管D8的阳极，该二极管的阴极接到电路结点[CP11]上，电位器[W2]的两个固定端分别接电源正[VCC]和电源地[GND]。

检测器的集成电路U2第7个引脚，接电阻[R14]的一端，此电阻的另一端接一个NPN三极管[Q2]的基极，该三极管的E极接电源地[GND]，C极接到一个输出端电路结点[OUT3]上，并通过一只电阻[R15]与电源正[VCC]相接，或通过一只发光二极管[LED1]电阻[R15]上串联再接到电源正[VCC]上。

检测器中另有一个光电耦合器[OP3]的光电三极管C极接到电路结点[CP2]上，E极接到电源地GND上，该光电三极管的发光二极管，将其阴极与阳极短接并可接地或其中一极悬空而另一端接地；或者将其阴极接地，阳极接光电三极管的C极。

该检测器中有一只一端与电气结点[CP10]连接，而另一端与电源地[GND]相接的按钮[SW2]。

这种检测器为直接将电路结点CP7和CP9，电路结点CP11、CP10和CP12分别接到一起的电路。

其中的比较器[U3C]同相输入端接电路结点[CP5]，反相输入端接电路结点[CP2]，电阻[R10]接电源地[GND]的一端接电源正[VCC]，二极管[D3]阴极接电路结点[CP3]，阳极接电路结点[CP4]，比较器[U3D]的同相输入端接电路结点[CP3]，反相输入端接电路结点[CP5]。

用于定时脉冲计数的芯片为如同CD4060那样，为有脉冲输入、多位并行输出或可编程输出和并有复位功能的计数芯片。

本实用新型具有如下优点与特点：

①本实用新型实际上相当于在缺相检测器电路中加入一个集成块和适当的外围器件而得来的，电路结构并不复杂，却能在完成缺相检测的同时，增加了时间继电器性质的定时检测的功能，且有多种输出可供选择，可以直接取代诸如铝电解生产控制设备槽控机中的时间继电器加三相电源缺相检测器，简化系统结构，也可以与时间继电器并用而增强保护性。本实用新型虽然是起因于铝电解生产超时保护，但同样适用于其它类似的自控领域。

②取样电阻是检测器的主要发热元件，历来是比较让人头痛的问题。本实用新型则通过使用比较器进行脉冲整形的方法来降低取样输出信号的要求，为取样电路的取样电阻(输入电源的限流电阻)阻值增加，减小取样电路的功耗，减少电路的发热，提高电路的可靠性等方面提供条件。

③本实用新型提出了用并联无输入信号光电耦合器旁路暗电流的方法，能减轻或防止暗电流特别是其漂移引起的干扰。

④节能。光电耦合器通过比较器做信号调理后，可较大幅度地减小取样电流。其效果是取样电路的发热减小，电路和元件的可靠性和稳定性得以提高。

附图说明

图1是以继电器输出超时信号的一个实施例电路原理图。

图1中，符号A1、B1、C1表示被测的三相电源；RE1、RE2和RE3为压敏电阻；符号VCC、GND、OUT1、OUT2和OUT3分别是电源正、电源负和电路的三个输出信号；符号A2、B2、C2、CP1、CP2、CP3、CP4、CP5、CP6、CP7、CP8、CP9、CP10、CP11、CP12、CP13、CP21和CP22表示对应的电路结点，其中的CP21和CP22为继电器输出结点；R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16和R17为电阻；C1、C2、C3、C4、C5、C6和C7是电容器；D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9，D10～D19为二极管，LED1为发光二极管；U2为计数器(分频器)CD4060(各引脚上的数字为相应的引脚编号，相应的文字符号为引脚功能标识)；U3(包括U3A、U3B、U3C和U3D)为集成电路比较器LM139(各引脚上的数字为相应的引脚编号，相应的文字符号为引脚功能标识)；OP1、OP2和OP3为光电耦合器；Q1和Q2为三极管；RL1为继电器；SW1和SW2为按钮开关；W1和W2为电位器。

具体实施方式

见附图。图中的前半部分(即光电耦合器输入侧的电路)是光电耦合器电源脉冲检测电路，用于检测电源脉冲，本实用新型称之为“取样电路”。后半部分电路(即光电耦合器输出侧电路)用于信号处理，即完成缺相检测、定时检测和信号输出等的功能，本实用新型称之为“信号处理和输出电路”。

实施方式按两个方面描述：

①检测器的取样电路，按三限流电阻的方式进行，以降低光电耦合器输入侧的对地电位，又避开二极管单向限流过程中要承受高压击穿的风险。

②检测器信号处理电路，采用CD4060作计数器，用四比较器的集成电路LM139/LM239/LM339作比较器，超时信号的输出用继电器方式，其它分立元件根据需要选择。实施例按照人工手动复位的方式给出电路，并对自动复位方式方法给予说明。

电路工作流程是：将取样电路检测出来的脉冲分别送到脉冲整流滤波电路和脉冲计数电路，由滤波电路之后的比较器判断是否缺相，由脉冲计数电路之后的一只比较器判断计数器是否有高电平到来进行是否超时的判断，当得到超时判断时，驱动继电器输出超时信号。另外，电路从计数器的低位提取脉冲信号放大，供外部电路监控计数器的工作过程。

实施例

如图1的实施例电路图。图中的前半部分的取样电路有几种不同的变化，如将图中电阻R3改成二极管或串联一只二极管，这样虽然可以利用二极管的单向导通来减小取样电阻的平均电流，但二极管要承受被高压冲击击穿的风险，同理，在R1和R2两头串联以二极管的情况也相类似，只是取样电流的无用功率消耗更小一些而已。如果三只电阻的阻值相同，A2、B2和C2的对地电压就可以近似为零，带静电的粉尘相对地要难于在光电耦合器两侧积累，可靠性和稳定性要高一些。但相同情况下，A相与B相和C相之间的无功功耗要增加。为了尽量消除因之带来功耗增加的影响和避免无功功耗过大，又不让A2、B2和C2处的对地电压过高，可以适当调整取样回路中限流电阻的阻值，即让R3的阻值比R1和R2较小一些。

图1中光电耦合器输出侧的信号处理电路中，U2是电子计数器CD4060(也可以用其它类似集成电路)，U3是OC输出类型的集成电路比较器LM139(或LM239、LM339等)，它一共包括U3A、U3B、U3C和U3D的4个比较器单元。它们和图中的电阻、电容、二极管和其它元件一起，完成缺相检测和定时检测等的功能。这部分电路的工作原理如下：

比较器U3C用于将两只光电耦合器的输出脉冲进行接收和整形，它的存在，使得CP2结点的脉冲电平只需适当高于W1的设定电压就可以输出合适宽度的脉冲，而不必在电流和电压都要满足后面电路的要求，这样可以放宽取样电路的限流电阻选择要求。

因CP2没有脉冲信号时总为低电平，比较器U3C的输出端为低电平，CP3也将为低电平，比较器U3A和U3D输出都将为高电平。又因为计数器U2在上电时能通过CP7(C6、R11和R12)进行复位，计数器U2的各个输出也均为低电平，因而比较器U3B的输出端必为对地关断状态(输出端为高电平)，即CP7、CP9和CP10都将维持高电平。

当CP2有脉冲到来后，首先被U3C隔离和整形后再送到D3整流(实际再串联一只电阻为好)，使得CP3相对于电位器W1的设定电压为高电平，比较器U3D的输出端对地导通，OUT1为低电平，CP7和CP9也跟着变为低电平，计数器被启动。

整形后的脉冲还经过R9送到计数器U2(CP6)。当计数器计数达到设定值时，CP8变为高电平，U3B的输出端对地导通，这样，它一方面通过R13让Q1导通，继电器RL1得电吸合，给外部电路输出一个接点导通状态，另一方面，它还能让CP7和CP9变成并保持低电平，不允许OUT1变成高电平后自动复位计数器，维持继电器吸合状态，直到人工按下按钮SW1强制复位为止。

定时时间的确定：检测器的定时时间可以由CP8连接至U2的某个输出引脚决定，图中为接14脚Q8，即经过128分频后，Q8将变成高电平。由于图中CP2的脉冲频率为50Hz，周期为0.02s，因此定时时间为2.56s。同理，如果CP8是接到13脚Q9，则定时时间为5.12s，这个值和铝电解生产过程中习惯设置的保护时间很相近(习惯设定有5.00s和6.00s两个值)，可以直接使用。

仅仅用直接连接U2的引脚的方法来设定定时时间，可获得的定时时间是0.02s的2n倍(其中n为3～13的整数)，如果在U2与U3B之间加入适宜的逻辑电路，则可以实现其它定时时间的准确定时。如图1所示的用二极管和上拉电阻R17的组成与非逻辑的接法，可以获得单片计数器最大的定时时间。去除(切断)其中一只二极管(在电路中的作用)，可减小一个对应输出位的位权和输入脉冲周期之积的时间。

计数器的上电复位和超时状态的保护：为了实现上电启动电路时计数器可靠复位，可在复位开关SW1上并联了一只电容C6；为了防止超时后可能存在的CP2有持续脉冲到来而让U2继续计数而导致CP8出现变为低电平的现象发生，比较器U3B的输出CP10还通过D4接到计数器U2的脉冲输入端(11脚，CP6)进行脉冲封锁，不允许它继续进行计数；为了防止超时保护动作后脉冲消失而使得OUT1变高时复位计数器，让二极管D5接于结点CP10和CP9之间(阳极接比较器U3B的输出端)，保持CP9为低电平。当不需要保护超时状态时，电路去除D4和D5就能在OUT1变为高时自动复位了(此时图中的D6也可以省去不用，让CP9和OUT1直接连接起来)。

故障状态的检测：电路中的最后一个比较器U3A的作用是用于检测光电耦合器的光电三极管是否存在击穿的故障状态的。如果有击穿，则比较器的输出端将对地导通，从而通过D8让继电器得电动作而对外输出一个保护信号。U3A能有这一功能的原理是：当有击穿现象时，到达CP2点的脉冲宽度要大为增加(将近10ms，而正常情况下要小于3.3ms)，因而，CP3和CP4点的电压也要有较大的增加，这样，只要让W2设定以一个合适的电压值，这一保护功能就可以实现了。

检测器的输出方式：实际的超时保护信号输出，可以通过继电器对外输出一个无源接点的保护信号。显然，图中的继电器可以选用固态继电器代替。如不用继电器，亦可用Q1的C极作为电子开关对外输出，或者让一只电阻代替线圈，产生一个高电平信号对外输出，即超时后由检测器输出一个有一定驱动能力的高电平信号，而正常时为输出一个低电平信号。另外，图中的SW2可用于试验，以检查继电器电路的好坏；Q2用于输出计数器Q4位的反相脉冲。

电位器W1的电平设定：这个问题涉及到噪声和节能的矛盾。从抑制噪声干扰的角度看，设定电压越高，抗干扰能力越强，而从节能特别是减小取样电路的取样电流方面看，又希望其值向小的方向取。因此，实际取值时，就要两者都要兼顾了。但是，前半部分电路的取样电阻是高压高电阻，每增加一小点电流都有可能增加高于后面增加一个芯片的功耗。例如，在220V电压下，100kΩ电阻的电流为2.2mA时，功耗就高达为484mW，要增加0.1mA的电流，电阻就要变为95.7kΩ，功耗为506mW，净增功耗22mW，而一个四比较器的LM139工作在12V电源下的功耗最大也不过是30mW。而由于传输效率的影响，增加的0.1mA电流，光电耦合器输出电流只能按增加0.05mA计算(电流传输效率为50％时)。可见，通过U3C缓冲并选择得当的设定电压，对节能(减少发热)是很有帮助的。

最后，增大电阻R7来提高电流转换成电压的增益，但过大的R7也容易导致如暗电流和其它噪声电流的干扰。为了减小暗电流的影响，可按图中所示，在R7上并联一只没有输入信号的光电耦合器OP3来旁路(通常是过旁路或欠旁路)两只直接参与工作的光电三极管的暗电流，以让电阻R7的电压受到暗电流特别是暗电流漂移的影响得以减小。显然，暗电流也是一种信号噪声，例如，10kΩ的电阻在暗电流为10μA时所产生的电压已达0.1V，而用了OP3就可以很好地避免暗电流对电位器W1的设定电压产生影响，并可以用来适当地降低一些设定电压。

Claims

1、一种有定时检测功能的三相电源缺相检测器，限流电阻(R1)、(R2)和(R3)分别与三相电源的A、B、C各相相连接，并在三相电源的相间并三只压敏电阻(RE1)、(RE2)、(RE3)，之后，其中两只取样电阻(R1)和(R2)接光电耦合器(OP1)和(OP2)的发光二极管阴极或阳极，另一只取样电阻(R3)接到这两只发光二极管的阳极或阴极上，光电耦合器(OP1)和(OP2)的发光二极管分别反向并接一只二极管(D1)和(D2)，与光电耦合器(OP1)和(OP2)的发光二极管对应的光电三极管，其中一只光电耦合器(OP1)的C极接直流电源正(VCC)，其E极接另一只光电耦合器(OP2)的C极，而光电耦合器(OP2)的E极电路结点(CP2)接电阻(R7)、电容(C3)和一个比较器的反相输入端，电阻(R7)和电容(C3)的另一端接直流电源地(GND)，比较器的同相输入端接到一个与电源正(VCC)和电源地(GND)的电位器(W1)的中间抽头即电路结点(CP5)，该比较器(U3D)的输出为该电路的输出(OUT1)，其特征是：

电路结点(CP1)接光电耦合器(OP1)的E极接光电耦合器(OP2)的C极，电路结点(CP2)接光电耦合器(OP2)的E极、电阻(R7)的一端、比较器(U3C)的同相输入端，电路结点(CP3)接二极管(D3)的阳极、电阻(R10)和电容(C3)的一端，电路结点(CP4)接比较器(U3C)的输出端、电阻(R8)、(R9)和(R16)的一端，其中，电阻(R16)的另一端接二极管(D3)的阴极，电路结点(CP5)接电位器(W1)的中间抽头、比较器(U3B)和(U3D)的同相输入端、比较器(U3C)的反相输入端、电容(C4)的一端，电路结点(CP6)接电阻(R9)的一端、二极管(D4)的阴极、集成电路(U2)的第11脚，电路结点(CP7)接按钮(SW1)、电阻(R11)和电容(C6)的一端、接集成电路(U2)的第12脚，电路结点(CP8)接比较器(U3B)的反相输入端、接二极管(D10)～(D19)的阴极和电阻(R17)的一端，其中，二极管(D10)～(D19)的阳极依次接集成电路(U2)的一个输出端，电路结点(CP9)接电阻(R11)和(R12)的一端、二极管(D5)和(D6)的阴极，电路结点(CP10)接二极管(D4)、(D5)和(D7)的阳极、接比较器(U3B)的输出端，电路结点(CP11)接二极管(D7)的阴极、电阻(R13)的一端，其中，电阻(R13)的另一端接一只PNP三极管(Q1)的基极，电路结点(CP21)和电路结点(CP22)，各接电路一个输出端，电路结点(GND)接电阻(R7)、(R10)、电容(C3)和(C4)的另一端、接各集成电路电源地端、电位器(W1)的一个固定端、二极管(D9)的阴极、继电器(RL1)线圈的一端，电路结点(VCC)接光电耦合器(OP1)发光二极管的C极、电阻(R8)、(R12)的另一端，三极管(Q1)的E极，电位器(W1)的另一个固

定端，各集成电路电源端，电路结点(OUT1)接电路一个输出端，同时可以接一只发光二极管(LED1)后，串联一只电阻(R14)再接到电源(VCC)上，电路结点(OUT2)接三极管(Q1)的C极、二极管(D9)的阳极、继电器(RL1)线圈的另一端。

2、根据权利要求1所述的一种有定时检测功能的三相电源缺相检测器，其特征是：检测器的电气结点(CP3)连接到另有一个比较器(U3A)的反相输入端，该比较器(U3A)的同相输入端接电位器(W2)的中间抽头，该比较器(U3A)的输出端接一个二极管(D8)的阳极，该二极管的阴极接到电路结点(CP11)上，电位器(W2)的两个固定端分别接电源正(VCC)和电源地(GND)。

3、根据权利要求1所述的一种有定时检测功能的三相电源缺相检测器，其特征是：检测器的集成电路(U2)第7个引脚，接电阻(R14)的一端，此电阻的另一端接一个NPN三极管(Q2)的基极，该三极管的E极接电源地(GND)，C极接到一个输出端电路结点(OUT3)上，并通过一只电阻(R15)与电源正(VCC)相接，或通过一只发光二极管(LED1)电阻(R15)上串联再接到电源正(VCC)上。

4、根据权利要求1所述的一种有定时检测功能的三相电源缺相检测器，其特征是：检测器中另有一个光电耦合器(OP3)的光电三极管C极接到电路结点(CP2)上，E极接到电源地(GND)上，该光电三极管的发光二极管(LED1)，将其阴极与阳极短接并可接地或其中一极悬空而另一端接地；或者将其阴极接地，阳极接光电三极管的C极。

5、根据权利要求1所述的一种有定时检测功能的三相电源缺相检测器，其特征是：该检测器中有一只一端与电气结点(CP10)连接，而另一端与电源地(GND)相接的按钮(SW2)。

6、根据权利要求1所述的一种有定时检测功能的三相电源缺相检测器，其特征是：这种检测器为直接将电路结点(CP7)和(CP9)，电路结点(CP11)、(CP10)和(CP12)分别接到一起的电路。

7、根据权利要求1所述的一种有定时检测功能的三相电源缺相检测器，其特征是：其中的比较器(U3C)同相输入端接电路结点(CP5)，反相输入端接电路结点(CP2)，电阻(R10)接电源地(GND)的一端接电源正(VCC)，二极管(D3)阴极接电路结点(CP3)，阳极接电路结点(CP4)，比较器(U3D)的同相输入端接电路结点(CP3)，反相输入端接电路结点(CP5)。