CN202840468U - 一种永磁式过欠电压保护器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种永磁式过欠电压保护器，包括抗干扰电路、降压整流电路、第一稳压电路、第二稳压电路、实时电压取样电路、储能电路、微处理器、指示电路、驱动电路和磁保持继电器。所述电压保护器通过微处理器对供电线路电压数据进行实时采样，采用磁保持继电器作为供电线路接通和断开执行元件，可以精准、稳定且低耗地完成单相线路的过电压或欠电压保护，而且适用于电流较大的供电线路。

Description

一种永磁式过欠电压保护器

技术领域

本实用新型涉及一种电压保护器，特别是涉及一种永磁式过欠电压保护器。

背景技术

在TN－S、TN－C－S、TT等低压配电系统中，电网单相负荷属于星型连接运行，由于中性线断线、电气设备和线路发生单相接地故障、三相负载严重不平衡等均可导致低压电网中性线电位偏移，中性线电位偏移过大会造成各种用电设备的损坏，甚至引起电气火灾，危及人身、财产安全。在现有技术中，针对上述电气故障，单相线路过电压、欠电压保护措施主要有三种：

（1）采用中性线断路器，此类保护器零电位基准很难精准捕捉到，经常会发生误动作，实用性较差。

（2）在断路器的基础上增加过欠电压保护脱扣器，此类型的过欠电压保护器，保护动作后不能自动恢复，需要用户手动操作才能使断路器合闸，用户操作使用不方便，影响用户的供电连续性。此外，该类过欠电压保护器只进行硬件的抗干扰保护，在瞬间过电压或欠电压方面抗干扰能力不够完善，同样容易引起误动作。

（3）采用普通电磁继电器的过欠电压保护器，此类保护器虽然能达到自动恢复的功能，但由于普通电磁继电器需要长时间供电，才能保证线路供电，因此能耗大，温升高，可靠性较差。此外，普通电磁继电器其额定电流只能做到40A及40A以下，这样限制了用户的用电需求，不能满足广大用户的需求。

有鉴于此，本发明人对上述问题进行研究，专门研制出一种永磁式过欠电压保护器，本案由此产生。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种永磁式过欠电压保护器，通过微处理器对供电线路电压数据进行实时采样，采用磁保持继电器作为供电线路接通和断开执行元件，可以精准、稳定且低耗地完成单相线路的过电压或欠电压保护，而且适用于电流较大的供电线路。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种永磁式过欠电压保护器，包括抗干扰电路、降压整流电路、第一稳压电路、第二稳压电路、实时电压取样电路、储能电路、微处理器、指示电路、驱动电路和磁保持继电器等。所述抗干扰电路输入端连接供电线路的相线L和零线N，抗干扰电路输出端的相线L和零线N连接降压整流电路的输入端，抗干扰电路输出端的相线L同时还连接实时电压取样电路的输入端，降压整流电路输出端相线L和零线N均与第一稳压电路相连，而第一稳压电路的输出端分别连接第二稳压电路、指示电路和储能电路的输入端，第二稳压电路的输出端和实时电压取样电路的输出端分别连接微处理器，微处理器的输出端分别与指示电路和驱动电路输入端相连，储能电路输出端与驱动电路输入端相连，驱动电路输出端与磁保持继电器相连，磁保持继电器同时连接供电线路的相线L。

所述的抗干扰电路包括一个压敏电阻, 为供电线路瞬态过电压的冲击及高频干扰提供保护。

所述的降压整流电路包括一个降压电容、一个放电电阻、一个抗瞬时电压电阻和四个二极管。降压电容和抗瞬时电压电阻串联后并联在放电电阻两端，四个二极管组成整流桥，对经过降压电容、放电电阻和抗瞬时电压电阻的交流电进行整流处理。

所述第一稳压电路包括三个稳压二极管以及一个电容，三个稳压二极管串联后并联在电容两端。第一稳压电路主要为指示电路、第二稳压电路、储能电路提供稳定的工作电压。

所述第二稳压电路包括一个二极管、三个电容、一个三端稳压器以及一个极性电容，二极管的负极分别连接极性电容正极和三端稳压器电压输入端，极性电容的负极和三端稳压器的接地端均接地，三个电容并联后一端连接三端稳压器U2的电压输出端，另一端接地。第二稳压电路其主要作用是为微处理器提供稳定的工作电压。

所述实时电压取样电路包括一个二极管、两个电阻以及一个极性电容，其中一个电阻与极性电容并联后，再与另一个电阻和二极管串联。实时电压取样电路为微处理器提供供电线路中实时电压采集数据。

所述储能电路包括一个二极管、一个电阻和一个极性电容，电阻和极性电容并联，一端接地，另一端与二极管串联。储能电路主要功能是为驱动电路提供瞬时动作工作电源。

所述微处理器采用带AD转换功能的单片机，其主要作用是分析实时电压取样电路采集到的数据,进而使驱动电路驱动磁保持继电器进行供电线路的接通与断开,同时驱动指示电路进行线路状态显示。

所述指示电路包括三个发光二极管、七个电阻和三个三极管，整个指示电路分为三组，每组的三极管c极均串联1个电阻和1个发光二极管，三极管e极接地，前两组的三极管b极串联一个电阻，而第三组的三极管b极同时串联2个电阻。指示电路的三组电路可以提供四种工作状态显示：正常电压工作状态、过电压工作状态、欠电压工作状态和电压恢复工作状态。

所述驱动电路包括六个三极管和十个电阻，上述三极管和电阻呈对称分布，第一、第三、第四三极管分别和第二、第五、第六三极管对称。其中第一三极管c极与第三三极管c极相连，第三三极管和第四三极管的b极并联两个电阻后分别连接微处理器和接地，第四三极管的c极串联一个电阻后连接第二三极管的b极。第五三极管如第三三极管对称连接第二三极管，第六三极管如第四三极管对称连接第一三极管。第一三极管和第二三极管的e极连接一个高电平电压，其余四个三极管的e极均直接接地。驱动电路主要作用是执行微处理器发出的动作指令，驱动磁保持继电器，实现供电线路中相线L的接通或断开。

所述的磁保持继电器工作时，通上直流电后，其电磁线圈便产生和永久磁铁极性相同的电磁力，利用同性相斥的原理，改变继电器的状态，使电磁线圈产生不同极性，相对永磁体面（设为N极）、吸合为S极、释放为N极，保持完全靠永磁体永磁力，从而使本案所述的永磁式过欠电压保护器触头达到吸合、保持和释放的目的。采用磁保持继电器作为断开和接通供电线路的执行元件，该元件线圈平时只在动作瞬间须上电，其它时间均不带电，因此整个磁保持继电器平时运行几乎不带电，能耗非常点，节能环保；

本实用新型所述的永磁式过欠电压保护器工作时，供电线路上的电源通过抗干扰保护电路后，到达降压整流电路进行降压和整流，为第一稳压电路提供稳定的工作电压，第一稳压电路为第二稳压电路、指示电路和储能电路提供所需的工作电压，储能电路为驱动电路提供所需的工作电压。同时，实时电压取样电路对供电线路相线L上经抗干扰处理，但未经降压整流前的电压信号进行采集，发送给微处理器。采用抗干扰保护电路有利于硬件对供电线路的干扰进行硬处理，还可以利用软件的延时判断是否为干扰信号，有效的避免了由于瞬时干扰而引起的误动作，产品稳定性极好。

微处理器对采集到的电压信号进行处理分析：①当采集到的电压信号为正常时，微处理器驱动指示电路显示正常电压工作状态，此时，磁保持继电器为闭合状态；②当采集到的电压信号由过电压或欠电压恢复到正常电压时，微处理器驱动指示电路显示电压恢复工作状态，同时驱动驱动电路和磁保持继电器延时接通供电线路的相线L；③当采集到的电压信号为过电压或欠电压时，微处理器驱动指示电路显示过电压或欠电压工作状态，同时驱动驱动电路和磁保持继电器瞬时断开供电线路的相线L。采用微处理器对供电线路电压值进行实时监测，执行过\欠电压分断的电压值调整简单，延时时间调整简单，精准度高，有效保护供电线路上的各种用电设备，减少电气火灾事故的发生。而且设计了四种电压工作状态指示，该可视化的工作状态显示界面便于用户清楚当前供电状态。

综上所述，采用上述方案后，所述的电压保护器可以精准、稳定且低耗地完成单相线路的过电压或欠电压保护，其电压工作范围：0~450V，最大工作电流至80A，工作电压AC230V左右时待机功耗低于0.5W。

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

附图说明

图1是本实用新型实施例的电路框架图；

图2是本实用新型实施例中抗干扰电路、降压整流电路、第一稳压电路、第二稳压电路、实时电压取样电路和储能电路的电气原理图；

图3是本实用新型实施例中指示电路的电气原理图；

图4是本实用新型实施例中驱动电路和磁保持继电器的电气原理图；

图5是本实用新型实施例中微处理器的电气原理图。

具体实施方式

本实用新型揭示的一种永磁式过欠电压保护器，如图1、配合图2至图5所示，包括抗干扰电路1、降压整流电路2、第一稳压电路3、第二稳压电路4、实时电压取样电路5、储能电路6、微处理器7、指示电路8、驱动电路9和磁保持继电器10等。所述抗干扰电路1输入端连接供电线路的相线L和零线N，抗干扰电路1输出端的相线L和零线N连接降压整流电路2的输入端，抗干扰电路1输出端的相线L同时还连接实时电压取样电路5的输入端，降压整流电路2输出端相线L和零线N均连接第一稳压电路3，而第一稳压电路3的输出端分别连接第二稳压电路4、指示电路8和储能电路9的输入端，第二稳压电路4的输出端和实时电压取样电路5的输出端分别连接微处理器7，微处理器7的输出端分别与指示电路8和驱动电路9输入端相连。储能电路6输出端与驱动电路9输入端相连，驱动电路9输出端与磁保持继电器10相连，磁保持继电器10同时连接供电线路的相线L。

上述抗干扰电路1主要作用是为瞬态过电压的冲击及高频干扰提供保护，在本实施例中，如图2所示，抗干扰电路1采用压敏电阻RV1为瞬态过电压的冲击及高频干扰提供保护, 压敏电阻RV1两端分别连接供电线路的相线L和零线N 。抗干扰电路1还可以采用其他方案实现，单独采用一个压敏电阻RV1，可以使电路布线更清晰，能耗更低。

降压整流电路2主要是对输入的电源进行降压和整流，以满足后序元器件的电压和电流要求。本实施例提供了一种具有较好精准度和稳定性的技术方案，如图2所示，降压整流电路2由降压电容C1、放电电阻R0、抗瞬时电压电阻R1以及二极管D1、D2、D3、D4组成。降压电容C1和抗瞬时电压电阻R0串联后并联在放电电阻R1两端。二极管D1、D2、D3、D4组成整流桥，对经过降压电容C1、放电电阻R0和抗瞬时电压电阻R1的交流电进行整流处理。其中，二极管D1、D2、D3、D4型号为IN4007。

第一稳压电路3主要是为指示电路8、第二稳压电路4、储能电路6提供稳定的工作电压。可以采用多种技术方案等效实现,在本实施例中，如图2所示，第一稳压电路3由稳压二极管D8、D9、D10以及电容C3组成。稳压二极管D8、D9、D10串联，一端接地，一端接供电电压Vcc1,电容C3并联在稳压二极管D8、D9、D10的两端。

第二稳压电路4主要作用是为微处理器7提供稳定的工作电压。可以采用多种技术方案等效实现,在本实施例中，详细描述了其中一种，如图2所示，第二稳压电路4由二极管D6、极性电容C4、三端稳压器U2、电容C5、C6、C7组成。极性电容C4负极接地，正极分别连接三端稳压器U2的电压输入端Vin和二极管D6的负极；电容C5、C6、C7并联后一端接地，另一端分别连接三端稳压器U2的电压输出端Vout和供电电压Vcc2，三端稳压器U2的接地端接地，二极管D6的正极连接供电电压Vcc1。其中，二极管D6型号为IN4007，三端稳压器U2型号为L7805。

实时电压取样电路5为微处理器7提供实时电压采集数据。可以采用多种技术方案等效实现，本实施例采用一较佳方案，如图2所示，实时电压取样电路5由二极管D5、电阻R2和R3、极性电容C2组成。电阻R3和极性电容C2并联后，一端接地，一端串联电阻R2和D5。其中二极管D5型号为IN4007。

储能电路6主要功能是为驱动电路9、磁保持继电器10提供瞬时动作工作电压。可以采用多种技术方案等效实现，在本实施例中，详细描述了其中一种，如图2所示，储能电路6由二极管D7、电阻R4和极性电容C8组成。电阻R4和极性电容C8并联后，一端接地，另一端串联D7的负极，同时连接供电电压Vcc3，二极管D7的正极连接供电电压Vcc1。其中，二极管D7型号为IN4007。

微处理器7主要作用是分析实时电压取样电路5采集到的数据,进而使驱动电路9驱动磁保持继电器10进行供电线路的接通与断开,同时驱动指示电路8进行线路状态显示, 微处理器7可以采用带AD转换功能的单片机实现，本实施例中，如图5所示，采用PIC16F1823作为微处理器7。微处理器7的引脚1同时连接供电电压Vcc2、电容C9和电阻R21, 电容C9另一端接地，电阻R21串联一开关K1后接地。其中，微处理器7的引脚2、3和5分别连接指示电路的电阻R22、R20和R19；微处理器7的引脚7和8连接驱动电路9的Action1和Action2，引脚11连接实时电压取样电路5的极性电容C2的正极，引脚12和13分别连接ICSPCLK和ICSPDAT，引脚14接地。

指示电路8可以对供电线路中四种电压状态进行显示。如图3所示，指示电路8由发光二极管D11、D12、D13、电阻R15、R16、R17、R19、R20、R22和三极管Q7、Q8、Q9组成，整个指示电路分为三组，发光二极管D11、电阻R15、R19和三极管Q7一组，三极管Q7的c极串联电阻R15和发光二极管D11，b极串联电阻R19；第二组包括发光二极管D12、电阻R16、R20和三极管Q8，三极管Q8的c极串联电阻R16和发光二极管D12，b极串联电阻R20；第三组由发光二极管D13、电阻R17、R18、R22和三极管Q9组成，三极管Q9的c极串联电阻R17和发光二极管D13，b极串联电阻R17和R22。三极管Q7、Q8、Q9的e极均接地，发光二极管D11、D12、D13的正极连接供电电压Vcc1。发光二极管D11、D12、D13分别为LED-N/G、LED-G/R、LED-Q/R，三极管Q7、Q8、Q9型号为9013。

驱动电路9主要作用是执行微处理器7发出的动作指令，驱动磁保持继电器10实现供电电路相线L的接通或断开。可以采用多种技术方案等效实现，如图4所示，本实施例中的驱动电路9由三极管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6以及电阻R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14组成。上述三极管和电阻呈对称分布，第一三极管Q1、第三三极管Q3、第四三极管Q4分别和第二三极管Q2、第五三极管Q5、第六三极管Q6对称。其中第一三极管Q1c极与第三三极管Q3c极相连，第三三极管Q3的b极并联电阻R7和R9后分别连接微处理器的引脚Action1和接地；第四三极管Q4的b极并联电阻R8和R10后分别连接微处理器Action1和接地。第四三极管Q4的c极串联电阻R5后连接第二三极管的b极。第五三极管Q5如第三三极管Q3对称连接第二三极管Q2，第六三极管Q6如第四三极管Q4对称连接第一三极管Q1。第一三极管Q1和第二三极管Q2的e极连接一个高电平电压Vcc3，其余四个三极管的e极均直接接地。第五三极管Q5和第六三极管Q6的b极分别串联电阻R11和R12后连接微处理器的引脚Action2，三极管Q1、Q2型号为9012，三极管Q3、Q4、Q5、Q6型号为 9013。

磁保持继电器10在接收到驱动电路9驱动指令后，其触头根据供电线路电压的状态执行闭合、断开和延时180S士5S闭合动作，从而达到供电电路相线L的接通或断开。磁保持继电器10可以根据实际需要的参数在市面上直接购买，本实用新型选用DC24V的磁保持继电器，如图4所示，磁保持继电器10线圈的两端分别连接在第一三极管Q1和第二三极管Q2的c极上。

本实施例所述的永磁式过欠电压保护器工作时，供电线路上的电源通过抗干扰保护电路1后，到达降压整流电路2进行降压和整流，为第一稳压电路3提供稳定的工作电压，第一稳压电路3为第二稳压电路4、指示电路8和储能电路6提供所需的工作电压，储能电路6为驱动电路9提供所需的工作电压，驱动电路9为磁保持继电器10提供所需电源。同时，实时电压取样电路5对供电线路相线L上经抗干扰处理，但未经降压整流前的电压信号进行采集，发送给微处理器7，微处理器7采集到的电压信号进行处理分析：

①    当采集到的电压信号为正常时，微处理器7驱动指示电路8显示正常电压工作状态，即D11绿色LED灯常亮，此时，磁保持继电器10为闭合状态，磁保持继电器线圈无电流；

②    当采集到的电压信号超过265士5V时，微处理器7驱动指示电路8显示过电压工作状态，即D12红色LED灯常亮，同时驱动驱动电路9和磁保持继电器10瞬时断开供电线路的相线L，此时，磁保持继电器10线圈有触发电流，当触头达到断开状态后无电流；

③    当采集到的电压信号由过电压恢复到240士5V或欠电压恢复到185士5V时，微处理器7驱动指示电路8显示电压恢复工作状态，即由D11绿色LED灯闪烁180S士5S后常亮，同时驱动驱动电路9和磁保持继电器10延时180S士5S接通供电线路的相线L，此时，磁保持继电器10线圈有触发电流，当触头达到闭合状态后无电流；

④    当采集到的电压信号低于165士5V时，微处理器7驱动指示电路8显示欠电压作状态，即D13红色LED灯常亮，同时驱动驱动电路9和磁保持继电器10瞬时断开供电线路的相线L，此时，磁保持继电器10线圈有触发电流，当触头达到断开状态后无电流。

采用本实施例所述方案的永磁式过欠电压保护器，其电压工作范围：0-450V，最大工作电流至80A，工作电压AC230V左右时待机功耗低于0.5W。

上述所有电路在设计过程中，可以有多种方案实现等同地功能，本实施例描述了一种较佳的实施方式，提供了其中一种精准度高、稳定性好、电路布图简单且能耗低的技术方案。并非对本实用新型的保护范围的限定。凡依本案的设计思路所做的等同和等效变化，均落入本案的保护范围。

Claims (10)

1.一种永磁式过欠电压保护器，其特征在于：包括抗干扰电路、降压整流电路、第一稳压电路、第二稳压电路、实时电压取样电路、储能电路、微处理器、指示电路、驱动电路和磁保持继电器；所述抗干扰电路输入端连接供电线路的相线L和零线N，抗干扰电路输出端的相线L和零线N连接降压整流电路的输入端，抗干扰电路输出端的相线L同时还连接实时电压取样电路的输入端，降压整流电路输出端相线L和零线N均与第一稳压电路相连，而第一稳压电路的输出端分别连接第二稳压电路、指示电路和储能电路的输入端，第二稳压电路的输出端和实时电压取样电路的输出端分别连接微处理器，微处理器的输出端分别与指示电路和驱动电路输入端相连，储能电路输出端与驱动电路输入端相连，驱动电路输出端与磁保持继电器相连，磁保持继电器同时连接供电线路的相线L。

2.如权利要求1所述的一种永磁式过欠电压保护器，其特征在于：所述的抗干扰电路包括一压敏电阻, 为供电线路瞬态过电压的冲击及高频干扰提供保护。

3.如权利要求1所述的一种永磁式过欠电压保护器，其特征在于：所述的降压整流电路包括一个降压电容、一个放电电阻、一个抗瞬时电压电阻和四个二极管，降压电容和抗瞬时电压电阻串联后并联在放电电阻两端，四个二极管组成整流桥，对经过降压电容、放电电阻和抗瞬时电压电阻的交流电进行整流处理。

4.如权利要求1所述的一种永磁式过欠电压保护器，其特征在于：所述第一稳压电路包括三个稳压二极管和一个电容，三个稳压二极管串联后并联在电容两端。

5.如权利要求1所述的一种永磁式过欠电压保护器，其特征在于：所述第二稳压电路包括一个二极管、三个电容、一个三端稳压器以及一个极性电容，二极管的负极分别连接极性电容正极和三端稳压器电压输入端，极性电容的负极和三端稳压器的接地端均接地，三个电容并联后一端连接三端稳压器U2的电压输出端，另一端接地。

6.如权利要求1所述的一种永磁式过欠电压保护器，其特征在于：所述实时电压取样电路包括一个二极管、两个电阻以及一个极性电容，其中一个电阻与极性电容并联后，再与另一个电阻和二极管串联。

7.如权利要求1所述的一种永磁式过欠电压保护器，其特征在于：所述储能电路包括一个二极管、一个电阻和一个极性电容，电阻和极性电容并联后，一端接地，另一端与二极管串联。

8.如权利要求1所述的一种永磁式过欠电压保护器，其特征在于：所述微处理器采用带AD转换功能的单片机。

9.如权利要求1所述的一种永磁式过欠电压保护器，其特征在于：所述指示电路包括三个发光二极管、七个电阻和三个三极管，整个指示电路元器件分为三组，每组的三极管c极均串联一个电阻和一个发光二极管，三极管e极接地，前两组的三极管b极串联一个电阻，而第三组的三极管b极同时串联两个电阻，指示电路的三组电路可以提供四种工作状态显示：正常电压工作状态、过电压工作状态、欠电压工作状态和电压恢复工作状态。

10.如权利要求1所述的一种永磁式过欠电压保护器，其特征在于：所述驱动电路包括六个三极管和十个电阻，上述三极管和电阻呈对称分布，第一、第三、第四三极管分别和第二、第五、第六三极管对称，其中第一三极管c极与第三三极管c极相连，第三三极管和第四三极管的b极并联两个电阻后分别连接微处理器和接地，第四三极管的c极串联一个电阻后连接第二三极管的b极，第五三极管如第三三极管对称连接第二三极管，第六三极管如第四三极管对称连接第一三极管，第一三极管和第二三极管的e极连接一个高电平电压，其余四个三极管的e极均直接接地。

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