基于一位双值转换电路的磁保持过欠电压保护装置设计.pdf

集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 31Research and Design 研究与设计种自动开关。磁保持继电器是近几年发展起来的一种新型电磁继电器，同样有着开关作用。所不同的是，磁力保持继电器的常闭或常开状态完全依赖于永久磁钢的作用，其开关状态的转换是由一定宽度的脉冲电信号触发而完成的7,8。自动过欠电压保护器主要就是以磁保持继电器为执行器，为了更好匹配磁保持继电器的线圈可靠工作和增加抗干扰能力，从而提高过欠电压保护器的性能，特设计了一位两值转换电路的新型过欠电压保护装置9。2 过欠电压原理分析我国低压配电系统一般采用低压交流220/380V三相四线制（A相、B相、C相、中性线）的配电线路，220V相线和中性线提供单相配电。因为产生过欠电压的原因主要有线路电阻过大、三相负载严重失衡、中性线断线、高次谐波和进户线的相线与中0 引言过欠电压保护器是低压配电系统中一种继电保护装置，在线路发生过电压或欠电压时自动切断线路，在线路电压恢复正常的情况下手动或自动将线路恢复正常供电1。1 研究背景目前，传统的过电压、欠电压保护产品有简单电压保护器、小型断路器、自动复位式等。在电压始终不稳定的情况下，单纯的电压保护器会使电器寿命缩短，甚至使主要电器部件损坏；断路器式附加过电压、欠电压，减少了供电连续性，保护动作后电网恢复正常，需人工操作，不能自动关闭2-4；自动过欠电压保护器耗电量高，电压精确度低，延迟时间误差大，调节烦琐5,6。电磁继电器可以使电路自动接通和切断，是一基金项目：新疆交通职业技术学院院级课题（J-22-06）。作者简介：夏兰兰，新疆交通职业技术学院，工程师，研究生；研究方向：供配电系统。收稿日期：2023-02-10；修回日期：2023-05-22。摘要：阐述传统的过欠电压保护器采用模拟器件、机械式、互感式，存在体积大、功耗高的问题，探讨一种新型过欠电压保护器的设计，该保护装置的特点是采用了一位双值转换电路，使磁保持继电器的线圈两端不会同时出现高电平，从而提高装置的可靠性。关键词：电路设计，采样电路，比较电路，一位两值转换电路，开关电路。中图分类号：TM561 文章编号：1674-2583(2023)06-0031-03DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.06.012文献引用格式：夏兰兰，王满满，李朝阳，邢文静.基于一位双值转换电路的磁保持过欠电压保护装置设计J.集成电路应用,2023,40(06):31-33.基于一位双值转换电路的磁保持过欠电压保护装置设计夏兰兰1，王满满1，李朝阳2，邢文静2（1.新疆交通职业技术学院，新疆 831400；2.国网新疆电力有限公司昌吉供电公司，新疆 831100）Abstract This paper describes the problems of large volume and high power consumption in traditional overvoltage and undervoltage protectors that use analog devices,mechanical devices,and mutual inductance.It explores the design of a new type of overvoltage and undervoltage protector.The characteristic of this protection device is the use of a dual value conversion circuit,which prevents high levels from appearing at both ends of the coil of the magnetic holding relay,thereby improving the reliability of the device.Index Terms circuit design,sampling circuit,comparison circuit,one to two value conversion circuit,switching circuit.Design of Magnetic Holding Overvoltage and Undervoltage Protection Device Based on One Bit Dual Value Conversion CircuitXIA Lanlan1,WANG Manman1,LI Chaoyang2,XING Wenjing2(1.Xinjiang Vocational and Technical College of Transportation,Xinjiang 831400,China.2.State Grid Xinjiang Electric Power Co.,Ltd.Changji Power Supply Company,Xinjiang 831100,China.）32 集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 Research and Design 研究与设计性线接反等原因10，由此，将造成家用电器损坏或烧毁，给用户带来经济损失，甚至危及人身安全。欠电压保护原理如图1所示，由电压信号采样、保护是否启动判定、保护启动执行三大模块构成。欠电压保护先将住宅用电交流电压经变压器或电阻、二极管等电子器件降压整流成直流电压（AC220V转换成DC24V），此电压值传输给双限电压比较器，与设置好的电压阈值比较，当大于等于过电压阈值或小于等于欠电压阈值，输出保护启动信号至执行模块。磁力保持继电器接收到启动信号，对电力设备起到断电、保护作用。3 电路设计采用信号采样电路、双限电压比较器、一位两值转换器、三极管开关电路、磁保持继电器组成的一种模块化、数字化过欠电压保护装置，其主要特点是采用一位两值转换电路的磁保持控制电路，原理图如图2所示。3.1 采样电路常用的过欠电压保护器的电路是用降压变压器进行降压，再利用全桥整流回路进行整流。采样电路由R1和D1串联的半波整流电路，因半波即可满足后续电路的要求，有利于减少装置功率。通过C1和R1组成的RC滤波电路，使整流电路的输出电压更为精确。图3为采样电路。3.2 电源电路电源回路主要有桥式整流回路，RC滤波回路，以及稳压回路。在整流电路前加入一个电容C2，有效地抑制了高频谐波并减少了寄生震荡对后级电路的干扰。图4为电源电路。3.3 双限电压比较电路用两个1458运放组成双限电压比较电路，电压比较器OP1的正相输入端分别与上级电路的输出节点（采样电压）和电压比较器OP2的反相输入端相连，电压比较器OP1的反相输入端分别与电源（基准电压）和电压比较器OP2的正相输入端相连。OP1和OP2电压比较器的输出端连接在一起，该节点作为下级一位两值电路的输入信号。图5所示为电压比较电路。3.4 一位两值转换电路磁保持继电器最显著的优点是它的触头动作只需向线圈施加脉冲信号即可，而状态保持则不需要电能，这样可以有效地减少装置的耗电量11，但在驱动电路的2个控制输入端状态相同的情况下输出是不确定的。例如单线圈磁保持继电器的线圈要求触头动作时电流方向由左向右，触头不动作时电流方向保持由左向右，或线圈无电流，触头保持前一种状态，任何情况下都不允许线圈两端同时出现高电平，但磁力保持继电器的前级控制电路，如CPU图1 过欠电压保护逻辑框图图2 过欠电压保护器结构框图图3 采样电路 图4 电源电路图5 电压比较电路 集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 33Research and Design 研究与设计控制输出或模拟控制输出信号在实际使用中存在各种干扰，可能使磁保持继电器的线圈两端同时出现高电平，此时电流方向不正确，是否动作将不可控制。为使磁力保持继电器的线圈可靠工作，增加抗干扰能力，从而使继电器的线圈能够更好地匹配，设计1位2值转换电路。一位两值转换电路如图6所示，由电阻R5、C5及电压比较器OP3、OP4组成的一位两值转换电路。电阻R5、C5串联后与电源并联。电压比较器OP3的正相输入端分别与电阻R5、C5串联的节点连接和电压比较器OP4的反相输入端连接；与电压比较器OP4的正相输入端连接的是电压比较器OP3的反相输入端。其中，电压比较器OP3的反相输入端与前级电路连接，作为一位两值转换电路的输入端，与后级电路连接的是电压比较器OP3和OP4的输出端UOUT1、UOUT2。上级输出的电流在进入一位两值转换电路之前，会产生高、低两种电平。由于电压比较器OP3和OP4互为反相，当取同一输入信号时，电压比较器OP3和OP4一定产生不同的电位。一位双值转换电路的基本原理是同一个输入端，却产生两种值，而且互为相反，也就是输出互为相异的信号，双高电平的现象从根本上被排除了。3.5 三极管开关电路利用三极管 MPS5179 设计合理的开关电路。三极管Q1、Q4导通，UOUT1输出高电平、UOUT2输出低电平时保持继电器线圈吸合；当UOUT1输出低电平，UOUT2输出高电平时，由于电流方向与前一状态相反，三极管Q1、Q4截止，三极管Q2、Q3导通，磁保持继电器线圈断开。UOUT1和UOUT2的值是前级一位两值电路的输出，所以肯定是互为相异的信号，这个输入信号是磁保持继电器线圈可靠工作的唯一条件，在磁保持继电器线圈上匹配这个一位两值转换电路，从根本上排除了继电器前端双高电平的错误状态。在保持继电器工作可靠性和抗干扰性方面都能得到有效提高。图7为三极管开关电路。3.6 功能参数的描述本设计过欠电压保护器设置的过电压和欠电压动作阈值分别为270V5%和170V5%，在装置正常合闸的情况下，电源电压处于二者之间，能够达到住宅建筑电气设计规范规定的各项要求。4 结语该过欠电压保护器是在一位两值转换电路和磁保持继电器的基础上设计而成的，它可以精确检测住宅用电的电压，判断电网电压有无过电压或欠电压的存在，从而起到切断电源、保证家庭用电安全的作用。本设计与现有的过欠电压保护器相比，整个装置为数字化系统，优化了磁保持继电器的驱动电路，从根源上杜绝了磁保持继电器输入都是高电平的情况，并且减少了回路元件的数量，降低了装置成本，提高过欠电压保护器的动作性能，对于保护器行业来说，具有一定的实用性。参考文献1 刘彦彦,姚伟,彭龙生,于振江.一种快装式三相过欠电压保护器J.电气传动自动化,2019,41(03):67-68.2 毛海峰,楼铭达,朱骏杰,尤静超.基于微断的自复式过、欠电压保护电器研究J.建筑电气,2014,33(04):69-71.3 徐磊.低压配电系统中的自恢复式过欠电压保护器设计J.低压电器,2014(03):29-32.4 张刘斗,王农,牛志龙.具有自恢复功能的过欠电压保护断路器J.建筑电气,2018,37(05):155-160.5 郭银婷,刘向军,缪希仁.基于磁保持继电器的小容量交流接触器的研究J.电气开关,2013,51(05):79-82+85.6 张翼洲.自复式过欠电压保护器的优化设计D.新疆：伊犁师范学院,2018.7 张刘斗,王农,牛志龙.具有自恢复功能的过欠电压保护断路器J.建筑电气,2018,37(05):155-160.8 余存泰.自恢复式过欠压保护器电路优化设计J.电器与能效管理技术,2018(07):36-38+62.9 王凯,李杏春,王占国.一种磁保持继电器驱动电路的设计J.仪器仪表用户,2008(03):66-67.10 RABINOWITZ M.Power Systems of the FutureJ.IEEE Power Engineering Review,2000,20(3):10-2911 张玉良.自复式全自动过电压、欠电压保护器J.电力建设,2004(11):46-47.图6 一位两值转换电路图7 三极管开关电路