一种电气设备错相保护装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种检测三相电气设备连接三相交流电的相位是否正确的技术，尤其可以将该检测器制作成一个模块电路，随时配合任何一台三相交流机电设备完成保护工作。


背景技术：

2.安全生产是评价一个企业的重要指标之一，机电设备在工矿企业生产中的重要性不言而喻，故对企业机电设备的安全操作在安全生产中有着举足轻重的作用。工厂、矿山机电设备一般都是三相交流设备，故相序核定操作是机电工的重要工作内容，当进行两条线路或母线间的联络并接时、或设备检修之后，都要有核相操作，但由于有些年轻机电工缺乏经验或责任心不强，会导致机电设备相序错误而直接上电，这样就可能使设备反转、从而造成不必要的损失。所以深刻了解三相交流电源以及如何安全使用三相交流电源是企业安全生产重要课题之一。
3.我们知道三相交流电源是具有相序的，三相交流电动机的旋转方向完全取决于三相交流电源的相序，如电动机所接的电源相序正确，则电动机将正转；反之所接电源相序不正确电动机就会反转。如果电机的负载是方向不可逆转的机械设备（如水泵、风扇、空压机、电梯等）时，相序将是十分重要的，假如所接交流电源相序不正确，在三相电源相序与电动机转向不一致时，电动机将会向相反的方向运转，这时会发生电动机带动减速器和机械臂、拖动阀门或挡板撞坏机箱和设备，轻则造成设备不能正常工作，重则直接损坏设备，这是工矿业安全生产中必须杜绝的情况。
4.故我们迫切需要研制一种设备，该设备可以实现：如果机电设备所接三相交流电相序正确，则相序指示灯亮起，供电接触器吸合，电机得电正常运转；反之，假如接错相序，指示灯将会熄灭，并且立刻使供电接触器断开，以切断电机的供电，电机停转从而保护人身及财产安全，实现在机电领域的煤矿安全生产要求。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构更加简单、造价更加低廉、使用更加可靠、灵敏度更高的电气设备错相保护电路。
6.为实现上述目的，本实用新型提供一种电气设备错相保护装置，其包括一个三相交流供电电路、三个降压电路、三个单向整流电路、三个波形整形电路、一个相序检测电路、一个反相器电路、一个滤波电路、一个稳压电路、一个电流放大电路、一个电机保护电路、一个 12v直流供电电路；所述 12v直流供电电路提供整个保护器系统的供电，包括四与非门cc4011、cc4069反相器的供电、三极管q1以及继电器“j”的供电；所述三相交流供电电路的三相电压a、b、c分别连接所述降压电路变压器t1、t2、t3的初级，t1、t2、t3的次级电压分别通过所述单向整流电路d1、d2、d3整流，整流后的正半周正弦波信号分别经过所述波形整形电路反相器n1、n2、n3输出标准的矩形脉冲信号a1、b1、c1；与非门n4、n5、n6、n7构成所述相
序检测电路，矩形脉冲a1信号同时连接n4的1脚及n5的13脚，b1信号连接n7的10脚，c1信号连接n4的2脚，n4的3脚连接n6的4脚，n6的6脚同时连接n7的9脚及n5的12脚，n5的11脚连接n6的5脚，n7的8脚即g点信号连接所述反相器电路反相器n8的8脚；n8的输出端9脚的检测信号通过由电解电容c1构成的所述滤波电路滤波，继续通过由限流电阻r1及稳压二极管d6构成的所述稳压电路稳压形成比较平滑、大约10v的直流电压，直流电压通过偏置电阻r3连接所述电流放大电路q1的基极，q1的发射极连接工作地，q1的集电极连接led的负极，led的正极通过继电器j的线圈连接直流供电电压 12v。
7.所述降压电路，a相电压通过变压器t1的初级连接中性线n, b相电压通过变压器t2的初级连接中性线n，c相电压通过变压器t3的初级连接中性线n，二极管d1的正极通过变压器t1的次级连接工作地，二极管d2的正极通过变压器t2的次级连接工作地，二极管d3的正极通过变压器t3的次级连接工作地。
8.所述 12v直流供电电路，220v工频电压经过降压变压器t4、全桥整流d、滤波电容c2、c3以及由电阻r2和稳压二极管d4组成的稳压电路稳压，得到稳定的直流电压 12v。
9.所述稳压电路，限流电阻r1的左端连接反相器n8的9脚，r1右端通过正向电解电容c1连接工作地，r1的右端同时通过反接的稳压二极管d6连接工作地，r1的右端同时通过电阻r3连接q1的基极。
附图说明
10.附图1、附图2、附图3、附图4、附图5、附图6、附图7用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本技术的一部分，附图1 是正常相序的逆时针电流方向示意图，附图2是b相与c相反接变为顺时针电流方向示意图，附图3是相序保护器电气原理图，附图4是利用cmos反相器构成波形整形电路原理图，附图5是基本rs触发器逻辑电路，附图6是正常相序波形图，附图7是反常相序波形图。
具体实施方式
11.三相交流电源相序如何决定电机旋转方向
12.在介绍本设计电路前，我们首先应该明白三相交流电源电源相序是如何决定电动机的旋转方向的。通过分析三相交流电源，其中道理很简单，由于三相交流电源每两相夹角为120度，各相振幅相等，频率是50
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hz，故只要交换任意两相线,旋转磁场就会相反,电机就会立即反转。可以这么说无论如何接线，只应该是有三种情况电动机正转，其余三种情况电动机反转，简单介绍一下：
13.三条交流电来线a、b、c，电动机三个接头a、b、c，接线方法一共有六种。其中a
‑
a，b
‑
b，c
‑
c，这样连接是正转，任意交换其中的两条，电机就会反转，共有三种可能，同样再任意调换其中的两条，结果都是正转，也有三种情况，总结如下：
14.电机正转：a
‑
a，b
‑
b，c
‑
c ；a
‑
b，b
‑
c，c
‑
a ；a
‑
c，b
‑
a，c
‑
b 电机反转：a
‑
a，b
‑
c，c
‑
b ，a
‑
c，b
‑
b，c
‑
a ；a
‑
b，b
‑
a，c
‑
c
15.也可以用附图1及附图2描述，例如b相以及c相接反后工作电流方向由逆时针变为顺时针，这时电机将会反转。
16.再次告诫大家，三相交流供电相序有时会不正确，特别是供电部门每次检修后，由
于工作人员疏忽大意可能会造成相序错误。故我们应该首先判别一下电网的相序是否正确，再给设备供电，这样就可避免烧坏设备，造成不必要的事故或损失。或者直接安装一套我们设计的相序保护器，这样即使相序接错，也不会造成任何后果。
17.电气设备错相、缺相报警保护装置电气原理
18.错相保护器电气原理图见图3，可以看到，电路包括一个三相交流供电电路、三个降压电路、三个单向整流电路、三个波形整形电路、一个相序检测电路、一个反相器电路、一个滤波电路、一个稳压电路、一个电流放大电路、一个电机保护电路、一个 12v直流供电路。
19.三相电源经过降压、整流、波形整形输出矩形脉冲信号
20.三相交流电源a、b、c各相220 v电压经过降压变压器t1、t2、t3形成大约峰值为10v、频率为50hz的正弦波信号，再经过整流二极管d1、d2、d3单向整流形成50hz的单向正弦脉冲信号，最后各自经过反相器n1、n2、n3波形整形输出标准的矩形脉冲信号a1、b1、c1，,这三个矩形脉冲信号称为三相模拟供电电压的数字化，数字化过程主要利用了cmos反相器的整形功能，故首先简单介绍一下反相器的波形整形功能。
21.在数字电路中数字信号经过远距离传输或各种转换后，噪声有可能会增加，信号质量会下降，如果脉冲信号波形不良，会使整个电路功能失常，因而需要对脉冲信号进行整形，使脉冲信号前沿和后沿整齐，当然，模拟信号比如正弦波信号也可以通过反相器整形电路实施整形形成标准的矩形波形。
22.故如果前级输出的高电平不是标准电平或波形不理想，可以利用一个反相器来给波形整形，并变为标准电压的高电平输出，如图4所示。
23.cmos反相器的阈值电压v
th
通常为供电电压的一半，且略有偏差，故这种由反相器构成的整形电路是建立在反相器阈值电压基础上的，变形或不规则的输入信号电压值逐渐升至反相器的阈值电压v
th
，再增加无穷小量，反相器输出立即反转（比如由0变为1）；如果输入信号逐渐下降至阈值电压v
th
再减小无穷小量，反相器输出再次反转（由1变为0），最终形成比较规整的矩形波。
24.同时反相器还有缓冲、延迟、增大驱动的功能。
25.正常相序、反常相序检测电路
26.在图3所示的相序保护器电路中，正常相序、反常相序的检测主要通过四个与非门n4、n5、n6、n7来实现，其中与非门n5、n6构成一个基本rs触发器。
[0027] 2.2.1 基本rs触发器
[0028] 基本rs触发器是由两个与非门n5和n6交叉连接而组成，如图4所示，其有两个输入端和,称为直接复位端或直接置0端，称为直接置位端或直接置1端，有两个互补的输出端q和,如果q=1,=0，称置位状态（1态）；反之，如果q=0，=1，则称复位状态（0态），通常称q端的逻辑值为触发器的状态。
[0029]
和平时规定接高电位，即处于1态，当加负脉冲信号后，由1态变为0态。可按与非逻辑关系分四种情况分析触发器的状态转换和逻辑关系，设q
n
为触发器原来的状态，q
n 1
为加触发信号（正、负脉冲或时钟脉冲）后新的状态，基本rs触发器的逻辑状态表如表1所示。
[0030] 表1 基本rs触发器状态表
[0031][0032] 以上分析表明，基本rs触发器有两个稳定状态，如果在直接置位端加负脉冲就可使它置位；在直接复位端加负脉冲就可使它复位，负脉冲过去后，两个输入端都处于1态，此时触发器保持原状态不变，实现记忆或存储功能。但是禁止将负脉冲同时加在直接置位端和直接复位端。
[0033]
相序检测电路
[0034]
经反相器整形后的三相矩形逻辑电平脉冲信号a1、b1、c1三点的逻辑方波送到一个由cmos四组二输入端与非门电路组成的相序判别逻辑控制单元，其中n5、n6组成一个基本rs触发器，输出为基本rs触发器的端,而不是q端，也就是测试点“f”。对于正常相序（abc、bca、cab）逻辑控制单元产生一系列输出脉冲，关键点波形见图6所示。
[0035]
对于反相序（bac、acb、cba），这种情况不易理解，比如相a与相b反接，由于原理图3是按照正相序画的，故按照电路图3原本是a相与c相经过与非门n4出“d”点波形，但真实情况是b相与c相经过n4出d，在反相序情况下各关键点波形如7所示，此时测试点“g”电平为“1”。
[0036]
电流放大电路
[0037]
相序检测逻辑单元的输出即g点信号经cmos反相器n8反相，限流电阻r1、电解电容c1、稳压二极管（10v）d6组成滤波电路、稳压电路，滤波电容c1可以将反相器n8输出的脉冲信号整形为相对平滑的直流电压，电阻r1及稳压二极管d6组成的稳压电路可以将不太平滑的直流电压进一步整形为比较平滑的10v直流电压，即h点电压，为晶体管q1提供稳定的基极偏置电压。
[0038]
故反相后的相位检测信号经滤波电路、稳压电路处理后可以分为正常相序和反常相序两种情况讨论。
[0039]
正常相序的检测信号经滤波、稳压后形成比较平滑的直流电平信号，通过电阻r3进入电流放大器电路，晶体管q1工作于共射极放大器状态，经过稳压以后的小电流检测信号通过q1放大，集电极放大电流驱动led点亮，高亮的led说明电机相序连接正常，同时继电器j吸合，接触器c吸合，电机上电正常工作。
[0040]
若电机的相序连接错误，图3中反相后的相序检测h点信号为恒定的低电平“0”，故晶体管q1截止，高亮度发光二极管熄灭，继电器j断开，导致接触器c断开，电动机便不能被启动，由此而达到保护目的。
[0041]
电机保护电路
[0042]
该部分电路由三相交流电动机及其控制部分组成，其中“motor ac”为三相交流电动机；“c”代表交流接触器c结合端，其线圈端由常闭开关“ta”、常开开关“qa”、继电器“j”及其三相交流电源的任意两相组成的回路控制；常闭开关“ta”的作用是假如相序保护器控制
系统判断失误可能会造成误操作，可以将其强行断开，保证能将接触器“c”可靠断开，保护交流负载（电动机）安全停机；常开开关“qa”的作用是假如保护器系统误判导致继电器“j”误断开，可以将其强行闭合，保证接触器“c”能正常闭合，交流电动机正常得电可以临时工作，一旦保护器检修完成，必须将常开开关“qa”处于常开状态，保证相序保护器能正常完成其职能，晶体管q1将相序检测信号进行电流放大，驱动继电器j工作。
[0043]
3 12v电源组成
[0044]
该部分电路结构比较简单，三相电源的任一相220 v交流或两相380 v交流，经过降压变压器t4、全桥整流d、滤波电容c2、c3以及由电阻r2和稳压二极管d4组成的稳压电路稳压，得到稳定的直流电压12 v，提供整个保护器系统的供电，包括四与非门cc4011、cc4069反相器的供电、三极管q1以及继电器“j”的供电
。
[0045]
注意事项
[0046]
降压变压器t1、t2、t3的选择比较重要，其二次级峰值电压需小于系统直流供电v
cc
电压，偏高的峰值电压影响cmos反相器的正常工作。
[0047]
若要将该保护器制作成为电路模块,则保护器安装调试好后，必须加装外壳，以确保使用安全。本线路对电源频率不敏感，可判别400 hz以下的三相交流电源相序。
[0048]
这套保护器电路结构简单、思路巧妙，我们均利用仿真软件multisim仿真测试电路，可以得出正确的逻辑结论，表明电路结构、电气元件参数准确。今年年初我们试制一批样品，并且在汾西矿务局高阳煤矿的一些机电设备上试用。
[0049]
因此可以这么认为我们设计的这套使用在工厂、矿山三相交流设备上相序保护器系统，其保护性能无论稳定性还是性价比都较高，值得市场推广。