自动保护电气设备免受电涌影响。方案、说明

自动保护电气设备免受电涌影响。无线电电子电气工程百科全书

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如果电源电压超出指定范围，建议的设备会断开负载与网络的连接。

该机器是作为振动泵控制装置的一个组成部分而开发的。然而，设备的负载可以是任何电气设备。

文献 [1] 中描述了类似的设备。该机器在各方面，除了使用的零件数量外，并不逊于上述机器，而是在大多数方面超过了上述机器。该机器具有以下功能和特点。单独调整电压上限和下限（2-3 V 范围内）。电路控制部分与网络的电流隔离；这使得所描述的设备可用于监控电压为 170 V 及更高的网络。

通过颜色控制的 LED 指示设备状态。在电源电压超出指定范围的第一个半周期后，设备会断开负载。打开设备之前的可调延迟，并且时间不是从负载关闭的那一刻开始计算，而是从电源电压的最后一个“拒绝”半周期开始计算（延迟期间电压也受到控制）。该机器具有开放式架构，因此很容易将其集成到其他设备中。缺点是逻辑电路门的使用不合理。

该机器与 Elektromashina OJSC（哈尔科夫）生产的 Strumok 泵配合使用。当电压低于 205 V 时，泵的供水量急剧下降，导致泵冷却不良并可能烧毁。当电压超过235V时，泵的振动变得异常，产生的噪音大约增加一倍。

断路器的方案如图 1 所示。

（点击放大）

输入部分使用晶体管光耦合器 VE1 与测量电路进行电隔离。电源电压受到电阻器 R1 的限制，并通过光耦合器 VE1 的 LED 产生电流脉冲。 VD1 二极管桥允许每半个电源电压正向通过光耦合器 LED。在A点，电压的形式如图2a所示。电阻器 R3 将通过光耦合器晶体管的电流限制在可接受的水平。如果网络电压正常，则在逻辑元件(LE)DD1.1和DD1.2的输入处存在低逻辑电平，并且相应地在输出DD1.3处存在逻辑电平。 “0”。

自动保护电气设备免受电源电压浪涌的影响

让我们考虑一下响应网络电压下降的通道的操作。该通道组装在元件 DA1.1、R6、VD2、R8、C1 上。当电源电压足够高时，电源电压的每个半周期中 A 点的电压都会降低到使用微调电阻 R1.1 在反相输入 DA4 处设置的电压电平以下。 DA1 芯片的两个栅极均用作电压比较器。不得使用频率校正电容器。在每个半周期中，DA1.1 的输出端出现负电压脉冲（见图 2，b），通过 R6、VD2 链，将电容器 C1 放电至几乎为零。然后，在电源电压的下一个半周期出现新脉冲之前，电容器C1通过电阻器R8充电。

选择 R8 的值，以便在电源电压的半周期（等于 10 ms）期间，C1 上的电压接近触发器 DD1.1 的开关阈值，但不会超过它（见图 2c）。电阻R6限制运算放大器的输出电流。当运算放大器的输出为对数时，二极管 VD2 防止运算放大器的输出电流对电容器充电。 “1”。

因此，如果电源电压没有降至电阻器 R4 指定的电平以下，则逆变器 DD1.1 输入处的电压对应于对数电平。 “0”，因此输出将是日志级别。 “1”。如果网络电压低于允许水平，则A点信号不会低于电阻R4设定的电压，运放DA1.1的输出端不会产生负脉冲，从而，电容器 C1 将充电至足以切换触发器 DD1.1 的电压（图 .2，b，c）。此外，这种切换将在当前电源电压的“有缺陷”半周期结束之前发生。电源电压的下一个“正常”半周期将使该节点返回其原始状态，因为通过电阻为 270 欧姆的电阻器，与电源频率相比，电容器 C1 几乎立即放电。

对超过微调电阻器 R5 设置的电平的网络电压做出响应的通道组装在元件 DA1.2、R7、VD3、C2、R9 上。只要网络中的电压不超过给定电平，A 点的信号就不会低于运算放大器 DA5 非反相输入端电阻器 R1.2 指定的电平（图 2a）。由于反相输入 DA1.2 处的电压大于非反相输入处的电压，因此输出将为对数。 “0”（图 2，f）。

电容器C2已充满电。在逆变器输入DD1.2 - log。 “0”，输出为log“1”。对于该通道，任务是在电源电压高于正常值的一段时间内获得恒定信号，这是指示 LED 正常运行所必需的。一旦电源电压超过指定电平，比较器 DA1.2 的输出就会产生正脉冲。电容器C2将通过R7、VD3链放电（图2，e，f）。逆变器DD1.2的输入端将出现一条日志。 “1”，其输出为log。 “0”，对应于电源电压增加到阈值以上。直到下一个正脉冲出现在比较器DA1.2的输出端时，电容器C2将通过电阻器R9充电。选择电阻器 R9 的值，使得触发器 DD1.2 输入处的电压不会下降到低于与日志对应的电平。 “1”，10毫秒的时间，即直到网络的下一个半周期（图2，d）。因此，如果连续几个半周期的电源电压超过指定电平，则 DD1.2 的输出将具有恒定的对数电平。 “0”。

当器件开启时，电容器C4不会立即充电。因此，DD6.3 的输出端会产生正脉冲，将触发器 DD4.1 和计数器 DD7 设置为初始零状态。

LE DD6.2、DD6.4上组装的发电机在设备联网后立即开始工作，并持续工作。只要市电电压正常，DD4.1触发器就会保持在零状态。两个输入均为DD5.1日志。 “0”，它的输出也是一个日志。 “0”。结果，计数器DD7的输入R处保持对数“1”的电平，并且计数器不响应输入C处的脉冲序列。电平为对数。输出DD1的“1.4”到达晶体管VT3的基极，并向负载提供电源电压。机器的操作逻辑在元件DD5.1、DD6.1的状态表中给出（参见表1）。

表1
自动保护电气设备免受电源电压浪涌的影响

当元素 DD1.1、DD1.2 之一出现在输出时，生成一个日志。 “0”，日志将出现在输出 DD1.3 处。 “1”（图2，d），将触发器DD4.1重置为单一状态。在这种情况下，晶体管VT3将关闭。

直到市电电压的当前半周期结束时，负载中仍然会有电流，但在下一个半周期中，双向可控硅VS1将不再打开。触发器DD4.1会记住机器的状态。计数器 DD7 在负载接通网络之前形成延迟。直到市电电压恢复正常，DD5.1的两个输入都将被记录。 “1”，结果，计数器DD7仍然不会对发生器脉冲进行计数。

当市电电压恢复正常时，触发器DD4.1的S输入端会出现一条日志。 “0”。现在输入DD5.1将具有不同的逻辑电平，计数器DD7将开始对发生器的脉冲进行计数（见表）。如果此时再次出现电源浪涌，则会在输入端 R DD7 处产生正脉冲，使计数器返回到零状态。

元件 C3、R2 将发电机频率设置为大约 1 Hz。打开负载之前的延迟时间可以通过选择计数器DD7的输出之一来调整。如果选择输出 Q5，则延迟为 32 秒。其他输出分别将该值减少或增加2倍。当第7个负压降到达输入C DD32 后，其输出Q5将出现高逻辑电平。通过 DD3.1，该电平将进入触发器 DD4.1 的输入 R 并将其设置为零。此后，晶体管VT3打开，市电电压将提供给负载。

断路器的三种状态由颜色控制的发光二极管指示。当机器处于开机前的延迟状态时，LED 呈橙色，因为两个转换均亮起。同时，LE DD2.1、DD2.2 的所有四个输入处都有高逻辑电平。

当电源电压低于或高于允许水平时，输入 8 DD2.1 或 12 DD2.2 处将分别出现对数水平。 “0”，其中一颗晶体停止发光。此外，如果电压低于正常值，红色 LED 就会熄灭，并发出绿光。如果电压高，则 HL1 发红光。当市电电压正常且负载已接入市电时，HL1不亮，因为输入9 DD2.1、13 DD2.2为对数电平。 “0”。该装置采用直径10毫米的进口LED，带有乳白色透镜。绝大多数透镜直径在8毫米以上的进口LED，通过一结的最大恒定电流为30毫安。在所描述的机器中，电阻器 R20 和 R11 将过渡电流限制在 12 mA。晶体管VT1、VT2是LE DD2.1、DD2.2的输出电流的放大器。

220 V 网络中的负载切换由双向可控硅 VS1 执行。为了与网络进行电流隔离，使用晶闸管光电耦合器 VE2、VE3。当负载连接到网络时，LE DD1.4 的输出出现高逻辑电平。 DD1.4的输出电流经电阻R14限制并经晶体管VT3放大至27mA。当足够的电流流过光耦合器 LED 时，光电晶闸管会在电源电压的每个半周期开始时打开。在每个半周期开始时，不断增加的网络电压会导致电流流经以下链：引脚 8、二极管电桥 VD4、光电耦合器光电晶闸管 VE2、VE3、二极管电桥 VD4、R18、双向可控硅 VS1 的控制结。后者导致VS1开路，负载中的电流继续增加并流过开路的双向可控硅VS1。在网络的下一个半周期中，双向可控硅 VS1 以相反极性的脉冲打开，但由于二极管电桥 VD4，电流仍然正向流过光电晶闸管。

电阻器 R16、R17 均衡闭合光闸管上的电压。必须这样做，因为不同光耦合器的漏电流可能相差数倍。当负载从网络上断开时，电压会重新分配到闭合的光晶闸管上，使得其中一个光闸管的电压为 250 V，另一侧的电压为 89 V（有效网络电压为 240 V，幅度值为 240x2 = 339 V），而对于此类光耦合器，关断状态下的最大输出正向电压为200 V。因此，还需要使用两个光耦合器。电阻器R16、R17的值应选择为使得通过电阻器的电流比通过闭合光晶闸管的电流大大约10倍（AOU103V的漏电流为0,1mA）。

电阻器R18限制流经VE2、VE3和双向可控硅控制电极的电流。这是必要的，因为三端双向可控硅开关VS1仅在阳极和阴极之间的特定电压下打开，在该电压下流过光耦合器VE2、VE3和控制结VS1的电流可能增加到允许极限之上。电阻器 R19 在控制电极和三端双向可控硅开关元件阴极之间提供电流连接，这提高了三端双向可控硅开关元件闭合时（特别是在高温下）的稳定性。当使用双向可控硅TS106-10时，负载功率不应超过2,2kW。

220 V 网络中电流隔离负载开关的另一个版本可以基于光晶闸管模块 VS2 制作（参见 RE1 中的图 10）。当电流流过模块的 LED 时，电源电压的每个半周期都会流过负载和正向连接的光晶闸管。就性价比而言，两种切换装置的选择是相同的，但如果考虑到制造时间，第二种选择明显获胜。 MTOTO80 模块的生产电流为 60 A 及更高，因此开关功率可能非常高。模块尺寸 92x20x30 毫米。在不带散热器的情况下，负载高达 1 kW 时，模块相对于环境温度仅过热 5°C。

最近，三端双向可控硅开关元件的脉冲控制被用来切换负载。这降低了设备的功耗。这种技术解决方案使电路变得不合理地复杂化，因为在 0,5 W 负载下节能不到 100%（最差的双向可控硅在控制电路中的功耗不到 0,5 W）。随着负载的增加，节省的能源会减少得更多。在使用所描述的机器以及[1-3]中的类似设备之前，我建议您阅读[4]中的文章。

所描述的断路器可用于监控电压为380V及更高的网络。为此，请选择 MTOTO80 模块以获得所需的电压和电流，并选择电阻器 R1 的阻值。

为了给断路器供电，需要一个电流高达 9 mA 的 100 V 稳定电压源。您可以在标准连接中使用基于 KR142EN8A(G) 微电路稳定器的电源 [5]。

向印刷电路板上的焊盘10、11供电。

细节。所述机器采用MLT、S2-23、S2-33等通用固定电阻器。微调电阻器R4、R5型号为SP5-14、SP5-22。电压为 1 V 或更高的电容器 C2、C73 K17-63 型，C3、C4 K10-17v 型或其他合适尺寸的陶瓷电容器。可使用 K176、K561、KR1561 系列的微电路。晶体管 KT315，带字母索引 B、G、E。光耦合器 AOT128，带任何字母索引。二极管 VD2、VD3 类型为 KD522、KD521，具有任意字母索引。

装置设计。该装置组装在双面玻璃纤维制成的印刷电路板上。图3-5分别示出了印刷电路板上元件的布置以及印刷电路板顶侧和底侧上的导体。

自动保护电气设备免受电源电压浪涌的影响

板子尺寸为85x85 mm，有4个直径为2,8 mm的孔用于安装板子。功率元件VS1或VS2安装在板外。它们通过焊盘 1、8、9 (VS1) 或 6、7 (VS2) 连接到电路。在印刷电路板的制造中，可以使用单面玻璃纤维，同时用柔性安装线（例如MGTF）代替来自板顶层的连接。设计印刷电路板时，顶层的导体数量被最小化。在电源电压下工作的元件和印刷电路板上的低压元件之间存在一个安全间隙，可承受高达 500 V 的电压。

设置。要设置断路器，您需要一个实验室自耦变压器 (LATR) 和一个交流电压表。在设置之前，根据图示将可变电阻R4的滑块设置到上部位置，将电阻R5的滑块设置到底部。机器与负载一起连接到 LATR 的输出。没有必要使用强大的设备作为负载 - 它可以是 100 W 的灯。在 LATR 的输出端，设置与电压上限相对应的电压。然后，通过旋转电阻器 R5 的滑块，确保负载关闭。之后，用 LATR 更改“电源电压”，检查调整的正确性。下限电压的调整方法类似。

参考文献：

Nechaev I. 自动保护网络设备免受电压浪涌影响 // 无线电。 -1996年。 -#10。 -第 48 - 49 页。
用于保护无线电设备免受电源电压过高影响的装置 // 无线电。 -1997。 -No.6。-S.44 - 45。
Zelenin A. 用于保护无线电设备免受网络电压“下降”影响的半自动装置 // 无线电。 1998。-第 10 期。 -S.73 - 74。
Kvetkovsky V. 用于保护无线电设备免受电源电压过高影响的装置 // 无线电。 -1999。 -#10。 -第39页。
Shcherbina A.、Blagiy S. 微电路稳定器系列 142、K142、KR142 // 无线电。 -1990。 -No.8。-S.89 - 90。

作者：A. A. Rudenko

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