CN2107726U - 三相电机多功能测控保护器 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一个用于对三相电机的缺相、过流 故障，配合交流接触器实施安全保护，对启停状态、运 行电流、保护电流，配合测控系统进行测控处理的新 型多功能测控保护器。包括信号采集、判别处理、启 动过流封闭控制、保护电流调整显示、保护控制输出 及运行参数控制输入和检测输出电路。它具有无接 触检测、无供电电源、电桥调整显示、无触点控制、弱 功耗的特点，并且具有保护电流调整范围宽、保护响 应迅速、与强电系统隔离绝缘的优点。

Description

本实用新型是一种用于三相电机的缺相、过流安全保护和运行参数的检测控制装置，属于三相电机电气安全保护和测控技术领域。

在现有技术中，三相电机缺相、过流安全保护的典型应用实例是热继电器。它的作用机理是当三相电机在运行中发生缺相过流、堵转或超负荷过流时，使串接在主回路中的双金属片热敏元件发热变形，推动上下两枚顶板产生差动或平移，达到一定距离时，使热继电器脱扣，输出控制信号，切断主回路电源，达到安全保护的目的。由于热敏元件的热惰性和易受周边元件热传导及环境因素的影响，保护响应的实时性和稳定性比较差，滞后响应时间在秒、分数量级以上，这可从具有国内外先进生产技术水平，拥有引进技术和引进生产线的甘肃天水二一三机床电器厂，在1990－－1991年颁布的《产品样本》第48页上所公布的LR1－D系列热继电器动作特性参数中看到。滞后响应不仅容易烧坏电机，而且容易酿成机械人身事故。由于每一个型号规格的热继电器的保护电流可调整范围小，调节可信度低，不同功率的电机必需严格选配具有相应电流调节范围的型号规格，因此需要提供一个庞大的系列，才能满足使用要求，这仍可从前述的《产品样本》第48页至55页所公布的资料中看到。现有技术大多数是采用接触检测和机械位移触点作执行控制输出，存在有火花干扰和触点烧蚀，可维修性差，寿命短。

本实用新型的目的是：避免上述不足处，提供一种缺相、过流保护响应实时、保护电流调节范围宽、调节显示直观可信、无触点磨损、具有运行参数遥测遥控功能且无接触检测、不需外加供电电源、集成电路、低功耗、使用安全的三相电机多功能测控保护器。

本实用新型的设计方案是：三相电机多功能测控保护器，由信号采集电路1、判别处理电路2、启动过流封闭控制电路3、保护电流调整显示电路4、保护控制输出电路5、运行参数控制输入和检测输出电路6组成。判别处理电路2、启动过流封闭控制电路3、保护电流调整显示电路4、保护控制输出电路5、运行参数控制输入和检测输出电路6组成。判别处理电路2、启动过流封闭控制电路3、保护电流调整显示电路4、运行参数控制输入和检测输出电路6归纳为弱电测控处理电路，以集成电路为主体，所消耗的功率小于200毫瓦。

信号采集电路1是两个或三个软磁铁芯和绕在其上的线圈从三相电机供电主回路中获得感应信号的无接触检测电路。它与三相电机供电电网不发生电气联接，采用著名的电磁感应原理，从三相电机主回路交变电流中获得感应信号。将这个信号经过整流处理，既作为判别处理电路2的输入，提供判别处理依据，又作为工作电源，驱动弱电测控处理电路工作。

判别处理电路2是由两个或三个输入端，一个公共端和一个输出端的模拟量输入开关量输出控制电路构成。从信号采集电路1获得模拟量输入信号进行判别处理，产生开关量控制信号输出，通过隔离耦合关系，把判别处理结果作用于保护控制输出电路5。

启动过流封闭控制电路3是一个可自动调整封闭时间的开关量输出控制电路。在电机启动时开始延时，并封闭控制判别处理电路不工作，防止因电机在启动瞬间的正常过流而发生保护控制输出。延时时间到，才解除这种封闭控制作用。

保护电流调整显示电路4是一个通过调整判别处理电路2的输入灵敏度，并能显示其调节量，达到调节电机的保护电流目的的电子调整显示装置。

保护控制输出电路5是一个在判别处理电路2的输出控制信号作用下，对三相电机的缺相、过流故障实施安全保护的电子触点中转控制装置。它的输出端被串接在操作控制电机启停运行的交流接触器工作回路中。

运行参数控制输入和检测输出电路6是一至三个模拟量输入输出和开关量输入输出接口电路，通过这些接口电路同外部测控系统发生输入输出联系。输入控制信号，调整保护电流和强令电机紧急关机，输出检测信号，检测电机启停运行状态和运行电流等运行参数。

三相电机多功能测控保护器，它包括壳体；信号采集电路1从三相电机主回路交变电流中获得的感应电信号经其整流处理后接判别处理电路2的电信号输入端、启动过流  闭控制电路3的电信号输入端、保护电流调整显示电路4的电信号输入端及运行参数控制输入和检测输出电路6电信号输入端；启动过流封闭控制电路3将开关量电信号通过其输出端接判别处理电路2的电信号输入端；保护电流调整显示电路4将比较电信号通过其输出端接判别处理电路2的电信号输入端及运行参数控制输入和检测输出电路6的电信号输入端；判断处理电路2将来自启动过流封闭控制电路3、保护电流调整显示电路4及运行参数控制输入和检测输出电路6的电信号经过其判别处理后所产生的开关量电信号通过光电耦器作用于保护控制输出电路5；保护控制输出电路5的输出端接交流接触器。信号采集电路1、判别处理电路2、启动过流封闭控制电路3、保护电流调整显示电路4及运行参数控制输入和检测输出电路6均利用信号采集电路1获得的感应信号能量作为工作电源。信号采集电路1由两个环形铁芯及绕在其上的线圈（10，11）、倍压整流二极管（12，13，14，15，）、滤波电容（16，17，18，19）、前置负载电阻（20，21，22）、双路并联复用输出二极管（  3，24）、RC限流滤波电路（25，26）和过压保护齐纳二极管27构成，线圈（10，11）的一端分别接二极管（12，14）的正极及二极管（13，15）的负极，线圈（10，11）的另一端分别接滤波电容（16，18）的负极及电容（17，19）的正极，二极管12的负极接二极管23的正极、电阻20的一端，二极管23的负极接二极管24的负极、RC限流滤波电路中电阻25的一端，电阻25的另一端接过压保护齐纳二极管27的负极、RC限流滤波电路中电容26的正极、判别处理电路2中电阻28的一端、启动过流封闭控制电路3中电阻（40，42）的一端及比较器44的电源正端，电容26的负极及过压保护齐纳二极管27的正极接地，二极管13的正极接电容17的负极及接地，二极管14的负极接电容18的正极、二极管24的正极、电阻21的一端，电阻21的另一端接电阻22的一端、电阻20的另一端及运行参数控制输入和检测输出电路6中开关管60的基极，电阻22的另一端接地，二极管15的正极接电容19的负极及接地；判别处理电路2由恒流电路（32，33，34）、比较器36、输入信号灵敏度调整电路（28，31，30）、积分电路（28，29）、隔离二极管37、电阻38及光电耦合器39构成，恒流电路由恒流二极管32、分压电阻33及微调电阻34构成，其恒流二极管32的一端接电阻28的一端、比较器36的正电源端，恒流二极管的另一端接比较器36的负相输入端、电压表35的一端、分压电阻33的一端，分压电阻33的另一端接微调电阻34的一端，微调电阻34的另一端及可调端接比较器36的电源负端及接地，输入信号灵敏度调整电路由分压电阻（28，31）及电位器30构成，电阻28的另一端接积分电路中电容29的正极、电位器30的一端，电容29的负极接地，电位器30的另一端接电阻31的一端，电阻31的另一端接地，电位器30的可调端接电压表35的另一端、比较器36的正相输入端、二极管37的负极、启动过流封闭控制电路3中二极管46的正极及运行参数控制输入和检测输出电路6中电容62的一端、电阻63的一端，二极管37的正极接比较器36的输出端、电阻38的一端，电阻38的另一端接光电耦合器39中发光二极管的正极，光电耦合器39中发光二极管的负极接地；启动过流封闭控制电路3由比较器44、分压电阻40、恒流二极管41、定时电阻42、电容43、隔离反馈二极管45及极性隔离输出二极管46构成，分压电阻40的另一端接恒流二极管41的一端及比较器44的负相输入端，恒流二极管41的另一端接地，电阻42的另一端接电容43的一正极、比较器44的正相输入端及隔离反馈二极管45的负极，电容43的负极接地，隔离反馈二极管45的正极接比较器44的输出端及极性隔离输出二极管46的负极，比较器44的电源负端接地；保护电流调整显示电路4由判别处理电路2中所述折输入信号灵敏度调整电路（28，30，31）、恒流电路（32，33，34）和电压表35构成。保护控制输出电路5由桥式整流二极管（54～57）、可控硅管53，触发电路（48～51）、电阻58、保险丝59及光电耦合器39构成，光电耦合器39中的光敏元件的一端接触发电路中电阻48的一端、双向触发二极管50的一端、电容49的一端，电阻48的另一端接可控硅管53的阳极及桥式流二极管的一输出端，电容49的另一端接光电耦合器39中光敏元件的另一端、电容47的一端、电阻52的一端、可控硅管53的阴极及桥式整流二极管另一输出端，电阻52的另一端接可控硅管53的触发极、电阻51的一端，电阻51的另一端接双向触发二极管的另一端，桥式整流二极管的输入端分别串接电阻58和保险丝59后，接保护控制输出端（65，66）；运行参数控制输入和检测输出电路6由开关管60、保护二极管61、电容62、电阻（63、64）构成，开关管60的集电极接保护二极管61的负极、电阻64的一端，开关管60的发射极接保护二极管61的正极、电容62的另一端及接地。

保护电流调整显示电路4由输入信号灵敏度调整电路（电阻28、31，电位器30、电容29）及恒流电路（恒流二极管32、电阻33、微调电阻34）和电压表35构成。它是一个电桥调整判别比较输入信号灵敏度和电桥横向输出显示调节量的电桥调整显示电路。

三相电机多功能测控保护器具有多种组合派生结构，由信号采集电路1、判别处理电路2、启动过流封闭控制电路3、保护电流调整显示电路4和保护控制输出电路5构成三相电机的缺相、过流保护控制器；由信号采集电路1、判别处理电路2和保护控制输出电路5构成三相电机的缺相保护控制器；由信号采集电路、判别处理电路2、保护控制输出电路5和运行参数控制输入和检测输出电路6构成三相电机缺相、测控保护控制器。

本实用新型与现有技术相比，具有一是采用的电子测控技术对缺相、过流进行判别处理，并且用电磁感应信号作为判别处理的直接依据，所以，安全保护响应迅速，重复稳定性好。二是采用启动过流封闭控制技术，使安全保护的实时性不受启动过流的影响；三是采用低功耗的弱电测控处理电路，不需要外部为其施加供电电源；四是采用无接触检测作信号采集和隔离耦合作保护控制输出，使弱电测控处理电路与交流供电网络隔离绝缘，使用安全；五是采用电桥调整显示技术，使保护电流在3安至200安范围内连续可调，调节显示直观可信，显示装置  可作为反映电机运行状况的监视器；六是采用电子触点作保护控制输出，无接触磨损，无火花干扰；七是运行参数的输入控制和输出检测，使被测控保护的电机便于纳入自动化测控管理系统；八是利用本发明制成的三相电机多功能测控保护器，体积小、重量轻、弱功耗、不需外加电源、便于与交流接触器配合而构成具有安全保护、控制输入和检测输出功能的新型一体    化磁力启动器。

附图说明：

图1是三相电机多功能测控保护器的框图。

图2是三相电机多功能测控保护器的第一种实施例的示意图。

图3是三相电机多功能测控保护器的第二种实施例的示意图。

图4是三相电机多功能测控保护器的第三种实施例的示意图。

图5是三相电机多功能测控保护器的第四种实施例的示意图。

实施例：结合附图1和2对三相电机多功能测控保护器的第一种实施方案作以叙述。

附图1和2中所示的信号采集电路1，在本实施例中，由两个环形铁芯及绕在其上的线圈10和11，倍压整流二极管（12～15），滤波电容（16～19），前置负载电阻（20～22），双路并联复用隔离输出二极管23和24，RC限流滤波电路（25、26）和过压保护齐纳二极管27组成。选择三相电机A、B、C三相供电主回路电源线中的任意两根，其中A相电源线穿过环形铁芯线圈10，B相穿过11，电机正常运行时，形成的穿芯电流在它们各自两端产生感应信号，经过整流滤波处理，向弱电测控处理电路提供工作电源和缺相、过流判别处理输入信号。

可以采用三只环形铁芯线圈，以增加一个环形铁芯线圈及整流滤波处理电路为代价，可获得更强的信号采集输出。

采用这种信号采集电路，实现了弱电测控处理电路与三相电机供电主回路电网之间的高度隔离绝缘，主回路电流在3安至200安范围内，可向弱电测控处理电路提供足够的工作电压。

附图1和2中所示的判别处理电路2，在本实例中，以一个两端输入、一个公共端和一个输出端的低功耗的集成运算放大器为主体。由恒流二极管32、分压电阻33和微调电阻34构成的恒流电路，向运算放大器36的负相输入端提供一个基准电压。由分压电阻（28、31）和电位器30组成的输入信号灵敏度调整电路，向运算放大器36的正相输入端提供一个电压值随电机主回路电流而变化的缺相、过流判别比较输入信号。通过极性隔离二极管37的正反馈作用，使运算放大器36构成一个具有深度滞后返回作用的电平比较器。判别比较输入信号电平一旦高于基准电压，运算放大器36的输出端立即由低电平转变为高电平，由隔离反馈二极管37的正反馈作用，使这个电平被保持下来，并经电阻38限流，驱动光电耦合器39的发光二极管，39的光敏元件受光照作用，由截止状态转变为导通状态。这样，通过光电耦合器39，使运算放大器36的输出高电平控制信号作用于保护控制输出电路。电位器30用作调整比较输入信号灵敏度。微调电阻34用作校准基准电压。由电阻28和电容29组成RC积分电路，用于降低过流保护响应实时性，抑制瞬间干扰过流的影响。

可以用两个以上的恒流二极管构成的恒流电路，向运算放大器36的负相输入端提供恒流基准电压。也可用稳压电路提供基准电压，还可用一个三端输入电路配合具有三个环形铁芯的信号采集电路对缺相和过流进行判别处理。

采用具有深度滞后返回作用的电平比较器作缺相、过流故障的判别处理，从发生故障到完成对电机的关机保护控制的时间间隔小于0.3秒。

附图1和2中所示的启动过流封闭控制电路3，在本实施例中，是一个以低功耗集成运算放大器44为主体的电平比较双稳态RC自动可调延时输出控制电路。由分压电阻40和恒流二极管41的分压，向运算放大器44的负相输入端提供一个参考电压。由RC定时电阻42和电容43的定时作用，向运算放大器44的正相输入端提供一个比较电压。电机启动时，由信号采集电路提供的工作电源经电阻42向电容43充电，这时，运算放大器44的正相输入电压低于负相输入，输出为低电平，极性隔离输出二极管46呈顺向导通，将缺相、过流判别比较电路中的运算放大器36的正相输入信号对地旁路，使36不会发生高电平输出。当延时时间到，电容器43上的电压高于运算放大器44的负相输入电压时，44的输出状态即由低电平转变为高电平，使二极管46转为反向隔离，从而解除对判别处理电路的封闭控制作用。隔离反馈二极管45的正反馈作用，使运算放大器44的输出状态一旦翻转为高电平，就被保持下来，不再受输入变化的影响。用在恒流二极管41上的分压电压作为运算放大器44的参考输入电压，可达到自动调整定时时间的目的，电机启动电流越大，使封闭控制作用时间越长。采用这种封闭控制电路，使判别处理电路对缺相、过流故障处理的实时性不受启动过流的影响。

附图1和2中所示的保护电流调整显示电路4，在本实施例中，是一个电桥调整显示器。由判别处理电路中的输入信号灵敏度调整电路（28，30，31）及恒流电路（32，33，34）和电桥横向输出显示电压表35组成。在电压表35的表盘上设置若干个代表电桥横向输出量的定标点，在电机额定运行电流或已知负荷条件下进行电位器30的调节，使5的指示处在需要的定标点上即可。采用这种新型的桥式平衡度调整显示技术，在调整操作时不必关心电位器30所处的位置，对调整电路的元器件精度要求不高，保护电流调节范围很宽，适用于功率大于1000瓦的电机。经过调整后，电压表35还可以有效地用于显示电机的运行状态和运行电流与额定保护电流的比值。

可将电桥横向输出电压，经过放大处理，驱动发光二极管排，代替电压表35。也可以用一个低功耗的数字表头代替电压表35，增加一个环形铁芯线圈，从电机供电主回路中获得感应信号，经过整流滤波和稳压处理，专供表头的工作电源，使保护电流实现数字式调整显示。

附图1和2所示的保护控制输出电路5，在本实施例中，是一个带光电耦合输入控制的常闭型过零触发交流电子开关。由桥式整流二极管（54～57），可控硅管53，触发电路（48～51）和光电耦合器39组成。两个输出端65和66串接在控制电机运行的交流接触器工作回路中。桥式整流器向电路提供单极性工作电压。在前述的判别处理电路的运算放大器36低电平输出信号作用时，光电耦合器39的光敏元件呈截止状态，在交流的每个过零区，当电容49上的电压上升到大于双向触发二极管50的触发电压时，被触发呈现负阻特性，把储存在电容49上电能通过限流电阻51释放给可控硅管53的触发极回路，可控硅管53被触发导通，使输出端65与66之间的交流阻抗特性保持低阻态。在电机发生缺相、过流故障，光电耦合器39受前述的判别处理电路运算放大器36的高电平输出控制信号作用时，其光敏元件由截止转为导通，关闭电阻48对电容49的充电作用，这时，触发电路进入低电平封闭状态，可控硅管53转为截止，从而使输出端65与66之间的交流阻抗特性转变为高阻态，断开交流接触器工作回路，切断电机主回路工作电源，达到安全保护的目的。电容47和电阻52，在电路中起提高工作稳定性的作用。保险电阻58和保险丝59，在电路中起过流双重保护作用，防止流过电子触点的电流过流损坏电路其它元件，使本实用新型的故障维修限定在少量元件上。

附图1和2所示的运行参数控制输入和检测输出电路6，在本实施例中，由保护电流调整控制输入和紧急关机控制输入，运行电流模拟量输出和运行状态开关量输出接口电路组成。保护电流调整输入，紧急关机控制输入，运行电流模拟量输出公用一个模拟量双向通道，通过接线端7和9与外部测控系统联接。在接线端7与9之间施加一个低内阻的输入电平信号，调整其电压，使前述判别处理电路的输入信号相应变化，从而达到调整保护电流的目的。在接线端7与9之间施加一个电压值高于前述判别处理电路的基准电压的电平信号，可达到强令电机停止运行的目的。将接线端7与9作检测输出时，输出直流电压随电机的主回路电流而增加，最大输出电压等于前述判别处理电路的基准电压，检测这个电压，可以得知电机的运行电流。电阻63和电容62构成的积分电路，用于抑制外线50周工频干扰信号输入。由前述信号采集电路的前置负载电阻20和21，向开关管60提供基极电流，从接线端8和9之间输出开关量信号，通过施加4伏至12伏的直流检测电压检测8与9之间的直流阻抗特性，可以达到检测电机启停运行状态和实施安全报警控制的目的。保护二极管61和电阻64，用于限制过大的检测电压和电流施加在开关管60上，保护不被损坏。

采用本实施例制成的电路，可以封装在外形尺寸长×宽×高＝110××32×72立方毫米的构体中，其外观有两个具有绝缘保护套的直径为15毫米的电机主回路穿线通孔，有两个具有隔离保护挡板的保护控制输出接线端口，一个内藏式三芯弱电测控接口插座，一个保护电流调整孔和一个调整量显示器。

第二种实施方案（附图3）：在第一种实施方案的基础上，去掉运行参数控制输入和检测输出电路6，构成一种三相电机缺相、过流保护控制器。

第三种实施方案（附图4）：在第一种实施方案的基础上，去掉启动过流封闭控制电路3和保护电流调整显示电路4，信号采集电路1由三个环形铁芯和绕在其上的线圈及三路整流滤波电路和三路并联复用隔离输出电路组成，三路整流滤波输出分别接至具有三个输入端、一个公共端和一个输出端的判别处理电路2的三个输入端，三路整流滤波的并联复用隔离输出向判别处理电路2及运行参数控制输入和检测输出电路6提供工作电压，控制输入信号经运行参数控制输入和检测输出电路6的作用后，连接于判别处理电路2的任一输入端，构成一种三相电机缺相、测控保护控制器。

第四种实施方案（附图5）：在第三种实施方案的基础上，去掉运行参数控制输入和检测输出电路6，构成一种三相电机缺相保护控制器。

Claims (9)

1、一种三相电机多功能测控保护器，它包括壳体，其特征是：信号采集电路1从三相电机主回路交变电流中获得的感应电信号经其整流处理后接判别处理电路2的电信号输入端、启动过流封闭控制电路3的电信号输入端、保护电流调整显示电路4的电信号输入端及运行参数控制输入和检测输出电路6的电信号输入端，启动过流封闭控制电路3将开关量电信号通过其输出端接判别处理电路2的电信号输入端，保护电流调整显示电路4将比较电信号通过其输出端接判别处理电路2的电信号输入端及运行参数控制输入和检测输出电路6的电信号输入端，判断处理电路2将来自启动过流封闭控制电路3、保护电流调整显示电路4及运行参数控制输入和检测输出电路6的电信号经过其判别处理后所产生的开关量电信号通过光电耦器作用于保护控制输出电路5，保护控制输出电路5的输出端接交流接触器。

2、根据权利要求1所述的三相电机多功能测控保护器，其特征是：信号采集电路1、判别处理电路2、启动过流封闭控制电路3、保护电流调整显示电路4及运行参数控制输入和检测输出电路6均利用信号采集电路1获得的感应信号能量作为工作电源。

3、根据权利要求1所述的三相电机多功能测控保护器，其特征是：信号采集电路1由两个或三个环形铁芯及绕在其上的线圈、倍压整流二极管、滤波电容、前置负载电阻、并联复用输出二极管、限流滤波电路和过压保护二极管构成；判别处理电路2由比较器、输入信号灵敏度调整电路、提供判别比较基准电压的恒流电路、积分电路、隔离二极管、电阻及光电耦合器构成；启动过流封闭控制电路3由比较器、分压电阻、恒流二极管、定时电阻和电容、隔离反馈二极管及极性隔离输出二极管构成；保护电流调整显示电路4由判别处理电路2中所述的输入信号灵敏度调整电路、恒流电路和电压表构成；保护控制输出电路5由桥式整流二极管、可控硅管，触发电路、电阻、保险丝及光电耦合器构成；运行参数控制输入和检测输出电路6由开关管、保护二极管、电容、电阻构成。

4、根据权利要求1或3所述的三相电机多功能测护保护器，其特征是：由信号采集电路1、判别处理电路2、启动过流封闭控制电路3、保护电流调整显示电路4和保护控制输出电路5构成三相电机的缺相、过流保护控制器；由信号采集电路1、判别处理电路2和保护控制输出电路5构成三相电机的缺相保护控制器；由信号采集电路1、判别处理电路2、保护控制输出电路5和运行参数控制输入和检测输出电路6构成三相电机的缺相、测控保护控制器。

5、根据权利要求1所述的三相电机多功能测控保护器，其特征是：判别处理电路2是由两个或三个输入端、一个公共端和一个输出端的模拟量输入开关量输出控制电路构成。

6、根据权利要求1所述的三相电机多功能测控保护器，其特征是：信号采集电路1是一个由两个或三个环形铁芯和绕在其上的线圈从三相电机供电主回路中获得感应信号的无接触检测电路。

7、根据权利要求1所述的三相电机多功能测控保护器，其特征是：启动过流封闭控测电路3是一个自动调整封闭时间的开关量输出控制电路。

8、根据权利要求1所述的三相电机多功能测控保护器，其特征是：保护电流调整显示电路4是一个电桥调整判别比较输入信号灵敏度和电桥横向输出显示调节量的电桥调整显示电路。

9、根据权利要求1所述的三相电机多功能测控保护器，其特征是：运行参数控制输入和检测输出电路是一个模拟量输入输出和开关量输入输出的接口电路。

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