CN209215473U - 基于电流互感器的电气设备外置型过流报警器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于电流互感器的电气设备外置型过流报警器，其包括两个电流互感器模块电路、一个电阻采样电路、一个发光二极管电路、一个光敏电阻电路、一个RS触发器型双稳态电路、一个主回路保护电路、一个多谐振荡电路、一个声光报警电路及一个+9V交流‑直流电源模块电路。电流互感器模块电路的二次级回路里串接入VR1组成采样电路，采样电压作为整个报警器的控制电压。当控制电压降高到足以使D1和D2发光，发光二极管控制光敏电阻CDS的阻值，光敏电阻阻值降到一定程度就会立即触发IC1输出高电平，该高电平最终使接触器C断开，设备得到保护，IC2产生振荡推动喇叭发出警报声。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种适用于工业、农业、矿山等电气设备的外置型过流报警器的技术，尤其一种基于电流互感器的电气设备外置型过流报警器，由于该报警器对于电气设备来说是外置的，故完全不会破坏原电气设备的结构，且对主回路的额定电流保护值可以通过一个电位器灵活调节，极富人性化。这种设计可以集成到配电柜电路中，更加巧妙的是可以独立设计为一个模块电路，这个报警模块在保证负载正常工作的前提下可以随意应用到几乎所有的电气设备系统上。
背景技术
安全生产是评价一个煤矿的重要指标之一，机电设备在煤矿生产中的重要性不言而喻，故对矿山机电设备的安全操作在煤矿安全生产中有着举足轻重的作用。
一般工矿企业的供电设备（电气配电柜等）为防止主回路设备短路，或电动机发生环火等造成主回路电流过大而损坏发电机、主整流柜或电动机等电气设备的情况，对供电主回路的过电流应进行保护或控制，将设备损失控制在萌芽状态。
比如最典型的一个例子是电动机由于某些非正常原因严重过载如线圈短路或机械卡堵等，这种情况下供电主回路电流会超过正常的工作电流，这些过电流对发电机或配电柜来说仍属于正常范围，但如果电动机没有过流保护，或者既使有过流保护装置也是仅仅依靠双金属片这种不可靠的保护模式，如果任其长期非正常超负荷运转，电动机很容易被损坏。
最省事、最常用的办法是在主回路各相分别接入一个电流互感器，在电流互感器二次级分别串联相应保护电流额定值的过流继电器，一旦主回路电流超过额定值，过流继电器马上断开主回路而保护供电设备以及回路里的电气设备，这种应用结构简单、成熟，在业界广泛使用，但过流继电器不但价格比较昂贵而且动作准确性仍较差，仍不是很安全、而且非常不人性化。
设计一种电气设备外置型过流报警器，利用电流互感器的一次级测量主回路的电流，二次级的感应电流作为采样电流控制过流报警器，报警器声光报警，显示负载出错或是发生了短路现象，同时还可以断开主回路从而保护电气设备系统。
由于该报警器对于电气设备来说是外置的，故完全不会破坏原电气设备的结构，且对主回路的额定电流保护值可以通过一个电位器灵活调节，极富人性化。这种设计可以集成到配电柜电路中，更加巧妙的是可以独立设计为一个模块电路，这个报警模块在保证负载正常工作的前提下可以随意应用到几乎所有的电气设备系统上。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单、造价低廉、使用可靠、能准确、快捷对过流电气设备实施断电保护并且声光报警的安全保护设备。
为实现上述目的，本实用新型提供一种基于电流互感器的电气设备外置型过流报警器，其包括两个电流互感器模块电路、一个电阻采样电路、一个LED发光电路、一个光敏电阻电路、一个RS触发器型双稳态电路、一个主回路保护电路、一个多谐振荡电路、一个声光报警电路及一个+9V交流-直流电源模块电路。三相供电回路的A相和C相回路分别作为两个所述电流互感器模块电路的一次级，两个电流电流互感器的二次级顺向串联，在串联后的二次级回路里串接入由可变电阻VR1组成的所述电阻采样电路，得到的采样电压作为整个报警器的控制电压。当电位器VR1两端的电压降高到足以使所述发光二极管（LED）D1和D2发光，发光二极管控制所述光敏电阻CDS的阻值，这个电阻值作为所述RS触发器型双稳态电路的输入控制端的偏置电阻，光敏电阻阻值降到一定程度就会立即触发双稳态触发器输出高电平。该高电平通过限流电阻R2进入所述主回路保护电路的晶体管T1的基极，T1由导通变为截止，继电器J线圈端断电，J结合端开路，J结合端连接接触器C的线圈端，接触器C结合端断开，使被保护的电气设备供电中断，设备得到保护。截止以后晶体管T1的集电极的高电平导致所述多谐振荡电路IC2的4脚变为高电平，IC2产生振荡推动喇叭发出警报声，发光二极管D4发光。所述+9V交流-直流电源模块电路的直流输出提供整个低压控制电路的工作电压。
所述的电流互感器模块电路，由CT1、CT2按照同名端顺向串联连接组成，即CT1异名端连接CT2的同名端。
所述电阻采样电路，电解电容C 01、C 02负极相连，正极分别跨接在串联后的互感器两侧，将电动机较大的启动电流过滤掉，互感器二次级工作电流通过采样电阻VR1得到整个保护器的控制电压。
所述LED发光电路，由发光二极管D1、D2反向并联通过电阻R0跨接在电位器VR1两侧。
所述光敏电阻电路，由CDS连接在工作地与IC1的2脚之间。
所述RS触发器型双稳态电路，由集成电路IC1连接外围电路构成，+9V电源、复位开关SW1、电阻R1、工作地依次串联连接；复位开关SW1、电阻R1连接点与IC1的6脚连接，为RS触发器型双稳态电路提供复位信号；+9V电源、可变电阻VR2、光敏电阻CDS、工作地依次串联连接，可变电阻VR2、光敏电阻CDS的连接点与IC1的2脚相连，为RS触发器型双稳态电路提供置位信号。
所述主回路保护电路，晶体管T1发射极接地，集电极连接继电器J线圈的一端，J线圈另一端连接+9V供电，常闭开关SB1、继电器J结合端、接触器C线圈端依次串联连接跨接在三相交流电源的A、B相上；继电器J结合端与常开开关SB2并联连接。
附图说明
附图1、附图2、附图3、附图4用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，附图1 是本实用新型设计基于电流互感器的电气设备外置型过流报警器电气原理图。附图2是电流互感器符号详解示意图。附图3是555定时器内部电路图。附图4是报警电路各参考点波形对比图。
具体实施方式
过流报警器电气原理图如附图1所示，包括电流互感器模块电路、电阻采样电路、LED发光电路及光敏电阻组成的偏置电路、RS触发器型双稳态电路、主回路保护电路、多谐振荡电路、声光报警电路及+9V交流-直流电源模块。其中+9V电源模块的内部电路由于篇幅原因不再详细介绍。
电流互感器电路
电流互感器英文名称为 Current Transformer，缩写CT，附图2为电流互感器符号详解图，从基本结构和工作原理来说，互感器就是一种特殊的变压器。电流互感器一次绕组匝数很少（有的型式的电流互感器还没有一侧绕组，利用穿过其铁芯的一次电路作为一次绕组，相当于匝数为1），且一次绕组相当粗；而二次绕组匝数较多，导体较细。工作时，一次绕组串接在电路中，而二次绕组则与仪表、继电器等的电流线圈相互串联，形成一个闭合回路。由于这些电流线圈阻抗很小，因此电流互感器工作时二次回路接近于短路状态。
本文在电流互感器工作的二次回路里串入一个采样电阻VR1，作为整个报警器的控制电压。
在附图1中，电气设备主回路（火线）作为电流互感器CT的一次级线圈（1匝），俗称穿心式电流互感器，CT 1、CT 2的二次级按照图示顺向串联连接（注意同名端），得到的采样电流不是两个互感器的二次级电流之和，而是接近分开连接的电流平均值。电解电容C 01、C 02负极相连，正极分别跨接在串联后的互感器两侧，电解电容容量大且便宜，但有极性，两个相同容量、耐压相同的电解电容反向串联，则是无极性的，故最终得到一个耐压50V、容量为50uF的无极性电容，这样可以防止电动机较大的启动电流流过采样电阻VR 1而产生误报警和误动作。
如果主回路实际电流是150A那么可以选择变比为200/5的电流互感器。电流互感器的二次级串联一个采样电位器VR1,为了实现灵活、精确调节最大保护电流的目的，用精密多圈式电位器代替一般电位器。
采样电阻VR1的值根据所要保护主回路的最大电流值IMAX而定，为了保证电气电路安全，这个保护电流值总是小于等于发电机或配电柜的输出最大电流值，在保证电气设备正常运行的前提下可以随意定义IMAX。当电气设备主回路电流超过最大值IMAX时，那么经过电流互感器CT的二次级电流为IMAX/40（假如选择200/5变比的电流互感器）。
在这里，通过采样电阻VR 1的电流比较关键，VR 1的值可由下面方法来确定：
当出现最大保护电流IMAX时，VR1上应有1.8V的电压降，所以：
发光二极管与光敏电阻的应用可以实现前后级强弱电分离，使后级的小信号控制电路更安全，易于上联计算机控制系统，实现远程控制。
光敏电阻电路
光敏电阻是用硫化隔或硒化隔等半导体材料制成的特殊电阻器，其工作原理是基于内光电效应。光照愈强，阻值就愈低，随着光照强度的升高，电阻值迅速降低，亮电阻值可小至1KΩ以下。
光敏电阻对光线十分敏感，其在无光照时，呈高阻状态，暗电阻一般可达1.5MΩ。光敏电阻的特殊性能，随着科技的发展将得到极其广泛应用。
上文提到的电流互感器的二次级回路里串联一个电压采样电位器VR1，如图1，电位器上得到的最小电压将是整个报警器电路的控制电压，当电位器VR1两端的电压降高到足以使发光二极管（LED）D1和D2发光，发光二极管控制光敏电阻CDS的阻值，这个电阻值作为双稳态触发器控制端的偏置电阻，光敏电阻阻值降到一定程度就会立即触发双稳态触发器输出高电平，如附图1。
尽管一只发光二极管就可以使电路正常工作，但应同时使用两只以保证安全、稳定。
应用555定时器实现R-S触发器型双稳态电路
555 定时器成本低，性能可靠，它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级，它提供两个基准电压 1/3 UCC和2/3 UCC。它的内部电压标准使用了三个5K的电阻，故取名555电路，如附图3。
555电路只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路，这是555电路最常用的功能。
本设计的特色之一是，应用555定时器除了可以实现以上功能，也可以实现R-S触发器型双稳态电路,这是一般教科书中没有提到的功能。
仍参见图3对比图1，IC1的6脚可以看做R端（复位端或置0端），高电平有效（＞2/3UCC）；2脚为端（置位端或置1端），低电平有效（＜1/3U CC ）。这种工作方式不同于教科书里介绍的基本RS触发器。当R端出现正脉冲（＞2/3U CC ）时，U O =0，555定时器处于稳态；而端出现负脉冲（＜1/3U CC ）时，U O =1，555定时器处于另一稳态。
555这种新颖的工作方式，有一个缺点就是当电源第一次接通时，触发器有可能误输出高电平，导致继电器J误断开，被保护的电气设备断电停止工作，同时报警器声光误报警。为了解决这个问题，可以在IC1的复位引脚R D 端（4脚）连接一个电容C 5接地，这将导致引脚4在接通电源时保持一段时间低电平，这将重置输出（定时器输出为0），定时器初始化完成。
当电气设备工作电流超过最大保护电流时，发光二极管D 1、D 2被点亮，光照使光敏电阻CDS的阻值降低，这使得IC 1的2脚（TL端，R-S触发器型双稳态电路的端）电平＜1/3U CC ，比较器N2输出低电平；此时定时器阈值TH端（6脚）仍为低电平，控制电压CO端（5脚）电平=2/3U CC ，比较器N1输出高电平，定时器 IC1置1输出高电平，导致继电器J释放，接触器C断开，使被保护的电气设备供电中断，设备得到保护。由于报警电路IC2的4脚变为高电平，IC2产生振荡推动喇叭发出警报声，发光二极管D4发光。
电气设备断开供电后，发光二极管D 1、D 2熄灭，定时器IC 1的TL端（2脚）电平＞1/3U CC ，比较器N 1、N 2都输出高电平，定时器IC 1输出保持高电平不变，导致继电器继续保持释放，使被保护的电气设备供电仍然中断，设备继续得到保护。
被保护电气设备处理完故障后，按下开关SW 1，R-S触发器型双稳态电路的R端（IC 1之6脚）反转为高电平（＞2/3U CC ），IC 1输出恢复初始化状态（0电平），继电器J吸合，被保护电路又重新被接通，报警电路IC2复位引脚R D 端保持为低电平，完成复位功能，声光报警停止。
同时我们得到了利用555定时器实现R-S触发器型双稳态电路的功能表，如下表
555定时器构成多谐振荡器
定时器IC2与电容C2、电阻R2、电位器VR3构成一个多谐振荡器，定时器IC2的供电由电源UCC提供，但复位引脚RD端（4脚）被定时器IC1的输出电平控制，报警电路上电瞬间定时器IC1被初始化，输出低电平，导致定时器IC2同时被复位（UIC2-4=0），IC2输出低电平，声光报警保持静默状态。
由于定时器IC2工作于多谐振荡器方式，IC2能否振荡完全取决于其复位引脚RD端（4脚）的电平，为了描述方便假定其复位引脚RD端（4脚）总是为高电平，即允许IC2振荡，振荡过程描述如下：
报警电路上电瞬间，假设此时t＝0，由于电容电压不能突变，电容C2的初始电压UC2＝０，所以定时器IC2的高、低触发端电压VTH＝VTL＝０(<1/3UCC)，IC2的比较器N1输出为高电平，N2输出为低电平，基本RS触发器置1，定时器IC2输出UIC2-3=1，此时=0，定时器内部放电三极管截止，电源UCC经电阻R3以及电位器VR3向电容C2充电，这是第一个暂稳状态，如附图4。UC2逐渐升高。当UC2上升到1/3UCC，比较器N2输出由0反转为1，此时比较器N1仍保持高电平输出，RS触发器保持状态不变。所以0<t<t1期间，定时器IC2输出UIC2-3为高电平。
t=t1时刻，UC2上升到2/3UCC，比较器N1的输出由１变为０，此时N2输出仍为1，RS触发器输出复位，反转为0，定时器IC2输出UIC2-3=0。
t1<t<t2期间，=1，放电三极管T导通，电容C2通过电位器VR3和放电管T放电，UC2按指数规律下降，这是电路的另一个暂稳态，如附图4；当UC2<2/3UCC时比较器N1输出由0变为1，N2输出仍为1，Q的状态不变，定时器IC2输出UIC2-3=0，不变。
t=t2时刻，UC2下降到1/3UIC1-3，比较器N2输出由1变为0，比较器N1输出仍为1，RS触发器输出1，定时器IC2输出UIC2-3=1，放电管T截止，此时电源再次向电容C2充电，电路又返回第一个暂稳态，如附图4。如此循环往复，重复上述过程，在输出端产生矩形波。
振荡周期T=T1+T2, T1为电容C2充电时间，T2,为电容C2放电时间。
充电时间T1=（R3+VR3）*C2㏑2≈0.7（R3+VR3）*C2
放电时间T2=VR3*C2*㏑2≈0.7VR3*C2
矩形波的振荡周期T= T1+T2=㏑2(R3+2VR3)*C2≈0.7(R3+2VR3)*C2
因此改变R3、VR3和电容C2的值，便可改变矩形波的周期和频率。
通过上述分析可知，电容C2充电时，定时器IC2输出UIC2-3=1，电容C2放电时，UIC2-3=0，电容C2不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。
本设计的实际控制过程是这样的，电气设备过流，定时器IC1输出高电平，定时器IC2复位引脚RD端（4脚）高电平，定时器IC2多谐振荡器工作，振荡信号通过耦合电容C4，推动喇叭发声报警，同时发光二极管D4发光，实现被保护电气设备过流时声光报警。
制作及注意事项
1）电流互感器的选型十分关键，不同型号的电流互感器在结构上往往有较大差异（包括铜排搭接形式、外形、铁芯等以及动热稳定的耐受能力），选择电流互感器的变比时，应首先得到实际负载额定电流，该电流最好处于互感器测量范围的65~85%处。比如额定电流为70A，就应该选择100/5变比的互感器。
2)采样电阻VR1的选择也比较关键，这是整个保护器或报警器的触发电压产生的重要元器件，采用多圈式精密电位器是最佳选择，为了保证电气电路安全，这个保护电流值所对应的一次级电流值总是小于等于发电机或配电柜的输出最大电流值，在保证电气设备正常工作的前提下可以随意定义保护电流值，这是本设计的特色之一，可以应用到几乎所有的电气设备保护领域。
3)发光二极管D1、D2以及光敏电阻CDS的装配也极为关键，它们应相互尽量靠近，一块安装在一个不透光的密闭容器内，应避免除发光二极管D1、D2光线以外的任何其它环境光线照射到光敏电阻上，以防误控，导致发生意外保护和报警，影响正常工作。
4）偏置电位器VR2的选择也很关键，其没有一个确定的阻值，可以试用不同的阻值以适合光敏电阻CDS与发光二极管D1、D2的不同的耦合度，具体操作就是当发光二极管D1、D2点亮瞬间，报警器应该马上报警且断开电气设备的供电。
本设计巧妙通过电位器取得电流互感器二次级电流的采样电压，即可实现随意预置主回路保护电流的目的；发光二极管以及光敏电阻的使用，实现强弱电隔离；利用555定时器电路实现RS触发器型双稳态电路，这些都是该设计的特色。这种设计可以集成到配电柜电路中，更加巧妙的是可以独立设计为一个模块电路，这个报警模块在保证负载正常工作的前提下可以随意应用到几乎所有的电气设备系统上。
去年按照设计我们试产了一批保护模块，将其用到了汾西局的甸头煤矿的一些机电设备上，经过近一年的试用，发现有时可能误报警，使用稍显麻烦，但大大降低了设备的损坏率，提高了生产效率，在煤炭不景气的今天，相应提高了经济效益。
该设计的缺陷之一是被保护电气设备处理完故障后，保护电路不能自动接通被保护电气设备的供电，且一直保持报警状态，处理完故障后，除非按下开关SW1才可以解除保护和警报。
Claims (6)
1.基于电流互感器的电气设备外置型过流报警器，其特征在于：所述外置型过流报警器包括两个电流互感器模块电路、一个电阻采样电路、一个发光二极管电路、一个光敏电阻电路、一个RS触发器型双稳态电路、一个主回路保护电路、一个多谐振荡电路、一个声光报警电路及一个+9V交流-直流电源模块电路；三相供电回路的A相和C相回路分别作为两个所述电流互感器模块电路的一次级，两个电流电流互感器的二次级顺向串联，在串联后的二次级回路里串接入由可变电阻VR1组成的所述电阻采样电路，得到的采样电压作为整个报警器的控制电压；当电位器VR1两端的电压降高到足以使所述发光二极管电路中的发光二极管D1和D2发光，发光二极管控制所述光敏电阻CDS的阻值，这个电阻值作为所述RS触发器型双稳态电路的输入控制端的偏置电阻，光敏电阻阻值降到一定程度就会立即触发双稳态触发器输出高电平；该高电平通过限流电阻R2进入所述主回路保护电路的晶体管T1的基极，T1由导通变为截止，继电器J线圈端断电，J结合端开路，J结合端连接接触器C的线圈端，接触器C结合端断开，使被保护的电气设备供电中断，设备得到保护；截止以后晶体管T1的集电极的高电平导致所述多谐振荡电路IC2的4脚变为高电平，IC2产生振荡推动喇叭发出警报声，发光二极管D4发光；所述+9V交流-直流电源模块电路的直流输出提供整个低压控制电路的工作电压。
2.根据权利要求1所述的基于电流互感器的电气设备外置型过流报警器，其特征在于：所述的电流互感器模块电路，由CT1、CT2顺向串联连接组成，即CT1的异名端连接CT2的同名端。
3.根据权利要求1所述的基于电流互感器的电气设备外置型过流报警器，其特征在于：所述电阻采样电路，电解电容C 01、C 02负极相连，正极分别跨接在串联后的互感器两侧，将电动机较大的启动电流过滤掉，剩下的互感器二次级工作电流通过采样电阻VR1得到整个保护器的控制电压。
4.根据权利要求1所述的基于电流互感器的电气设备外置型过流报警器，其特征在于：所述发光二极管电路，由发光二极管D1、D2反向并联通过电阻R0跨接在电位器VR1两侧。
5.根据权利要求1所述的基于电流互感器的电气设备外置型过流报警器，其特征在于：所述RS触发器型双稳态电路，由集成电路IC1连接外围电路构成，+9V电源、复位开关SW1、电阻R1、工作地依次串联连接；复位开关SW1、电阻R1连接点与IC1的6脚连接，为RS触发器型双稳态电路提供复位信号；+9V电源、可变电阻VR2、光敏电阻CDS、工作地依次串联连接，可变电阻VR2、光敏电阻CDS的连接点与IC1的2脚相连，为RS触发器型双稳态电路提供置位信号。
6.根据权利要求1所述的基于电流互感器的电气设备外置型过流报警器，其特征在于：所述主回路保护电路，晶体管T1发射极接地，集电极连接继电器J线圈的一端，J线圈另一端连接+9V供电，常闭开关SB1、继电器J结合端、接触器C线圈端依次串联连接跨接在三相交流电源的A、B相上；继电器J结合端与常开开关SB2并联连接。
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