CN206117119U - 一种充电机的缺相保护电路 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种充电机的缺相保护电路，包括电压检测单元、基准电压发生单元和信号调理单元及信号输出单元。所述信号调理单元将电压检测单元的输出与基准电压发生电路产生的基准电压进行比较，发出相应电平信号，进而由所述信号输出单元输出相应信号给保护装置，保护装置根据接收到的信号，判断输电线路状态，并发出相应响应命令。

Description

一种充电机的缺相保护电路
技术领域
本实用新型属于电动汽车充电设备保护领域，特别的涉及一种充电机的缺相保护电路。
背景技术
目前，国家电网公司正在大力推动电动汽车充电站的发展，大功率充电机要求供电电源具有较高的可靠性。因电网输电线路接线不可靠或充电设备故障导致三相电网某一相接地时，就会出现缺相故障。大功率充电机若是长时间工作在缺相状态下，将会导致充电机内部电流不平衡，损坏充电机；严重时还将影响电网输电线路的三相平衡，使某一相线路因带载轻而出现电压上浮，进而损坏连接在该相线路上的电气设备。
实用新型内容
本实用新型为解决充电机电源出现缺相时的保护问题，提供了一种充电机的缺相保护电路。
一种充电机的缺相保护电路，包括电压检测单元、基准电压发生单元和信号调理单元及信号输出单元,所述信号调理单元将所述电压检测单元的输出叠加与所述基准电压发生单元电路产生的基准电压进行比较，发出相应电平信号给所述信号输出单元，进而所述信号输出单元发送相应信号给保护装置。
进一步的，所述电压监测单元包括分别与三相电源线路对应的A、B、C电压检测电路；
其中A相电压检测电路包括A相限流电阻R1、A相光耦U1、A相续流二极管D1、A相分压电阻R4,A相光耦U1原边通过限流电阻R1连接三相电源的A相线路，并与A相续流二极管D1反向串联，A相光耦U1副边的输入端UA通过分压电阻R4连接电源VCC,输出端接地；
其中B相电压检测电路包括B相限流电阻R2、B相光耦U2、B相续流二极管D2、B相分压电阻R5,B相光耦U2原边通过限流电阻R2连接三相电源的B相线路，并与B相续流二极管D2反向串联，B相光耦U2副边的输入端通过分压电阻R5连接电源VCC,输出端接地；
其中C相电压检测电路包括C相限流电阻R3、C相光耦U3、C相续流二极管D3、C相分压电阻R6,C相光耦U3原边通过限流电阻R3连接三相电源的C相线路，并与C相续流二极管D3反向串联，C相光耦U3副边的输入端通过分压电阻R6连接电源VCC,输出端接地；
并且所述电压检测单元中三个光耦原边的输出端短接在一起。
进一步的，所述基准电压发生单元包括第一分压电阻R7、第二分压电阻R8和第一电容C1，所述第一分压电阻R7一端连接电源VCC，另一端通过第二分压电阻R8接地，所述第一电容C1与所述第二分压电阻R8并联,所述第一分压电阻R7和第二分压电阻R8的连接端为分压电路的输出端。
进一步的，所述信号调理单元包括：A相比较运算放大器A1、B相比较运算放大器A2、C相比较运算放大器A3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第三分压电阻R9，其中所述A相比较运算放大器A1、B相比较运算放大器A2、C相比较运算放大器A3的同相端依次与所述A相光耦U1、B相光耦U2、C相光耦U3副边的输入端连接，反相端均连接在所述基准电压发生单元的输出端，所述A相光耦U1、B相光耦U2、C相光耦U3的输出端分别通过第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6与第三分压电阻R9的一端连接形成信号调理单元输出端Uc，所述第三分压电阻R9的另一端与电源VCC连接。
进一步的，所述信号输出单元包括：第四分压电阻R10、第五分压电阻R11、第六分压电阻R12、第七分压电阻R13、第八分压电阻R14、NPN三极管Q1、PNP三极管Q2、第四比较运算放大器A4、隔离光耦U4及第七二极管D7、第八二极管D8,所述NPN三极管Q1基极连接所述信号调理电路输出端Uc、集电极通过依次串接第七二极管D7、第八二极管D8及第四分压电阻R10与电源VCC连接，发射极接地；所述PNP三极管Q2集电极通过第五分压电阻R11与电源VCC连接，基极连接于第八二极管D8与第四分压电阻R10之间，发射极通过第六分压电阻R12接地；所述第四比较运算放大器A4同相端与所述基准电压产生单元的输出端连接，反相端通过第六分压电阻R12接地；所述隔离光耦U4原边输入端通过第八分压电阻R14与电源VCC连接，原边输出端连接所述第四比较运算放大器A4输出端，副边输入端连接电源VCC,副边输出端发出信号。
本实用新型的有益效果是：提供了一种充电机的缺相保护电路，利用光电耦合器件将交流信号与控制信号隔离，保证了***的可靠性；利用运算放大器对采集的误差信号进行比较放大，保证了信号的可靠性。本实用新型性能可靠、结构简单，能够有效地对充电机缺相故障进行监测，保护设备安全。
附图说明
图1为本实用新型的电路图；
图2为三相正常时三相线路电压波形图；
图3为三相电路C相缺相时UC波形图；
图4为三相电路C相缺相时UB波形图。
具体实施方式
本实用新型涉及一种充电机的缺相保护电路，包括电压检测单元、基准电压发生单元和信号调理单元及信号输出单元。经过信号调理单元比较电压检测单元的输出与基准电压发生电路产生的基准电压，发出相应电平信号，进而由信号输出单元输出相应信号给保护装置处理器，保护装置处理器根据接收到的信号，判断输电电路状态，并发出相应响应命令。
下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。
如图1所示，
一种充电机的缺相保护电路，包括电压检测单元、基准电压发生单元、信号调理单元及信号输出单元：
所述电压监测单元包括分别与三相电源线路对应的A、B、C电压检测电路；
其中A相电压检测电路包括A相限流电阻R1、A相光耦U1、A相续流二极管D1、A相分压电阻R4,A相光耦U1原边通过限流电阻R1连接三相电源的A相线路，并与A相续流二极管D1反向串联，A相光耦U1副边的输入端UA通过分压电阻R4连接电源VCC,输出端接地；
其中B相电压检测电路包括B相限流电阻R2、B相光耦U2、B相续流二极管D2、B相分压电阻R5,B相光耦U2原边通过限流电阻R2连接三相电源的B相线路，并与B相续流二极管D2反向串联，B相光耦U2副边的输入端通过分压电阻R5连接电源VCC,输出端接地；
其中C相电压检测电路包括C相限流电阻R3、C相光耦U3、C相续流二极管D3、C相分压电阻R6,C相光耦U3原边通过限流电阻R3连接三相电源的C相线路，并与C相续流二极管D3反向串联，C相光耦U3副边的输入端通过分压电阻R6连接电源VCC,输出端接地；
并且所述电压检测单元中三个光耦原边的输出端短接在一起；
通过光耦可以有效将电压采样信号与控制信号隔离开来。
所述基准电压发生单元包括第一分压电阻R7、第二分压电阻R8和第一电容C1，所述第一分压电阻R7一端连接电源VCC，另一端通过第二分压电阻R8接地，所述第一电容C1与所述第二分压电阻R8并联,所述第一分压电阻R7和第二分压电阻R8的连接端为分压电路的输出端。
所述信号调理单元包括：A相比较运算放大器A1、B相比较运算放大器A2、C相比较运算放大器A3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第三分压电阻R9，其中所述A相比较运算放大器A1、B相比较运算放大器A2、C相比较运算放大器A3的同相端依次与所述A相光耦U1、B相光耦U2、C相光耦U3副边的输入端连接，反相端均连接在所述基准电压发生单元的输出端，所述A相光耦U1、B相光耦U2、C相光耦U3的输出端分别通过第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6与第三分压电阻R9的一端连接形成信号调理单元输出端Uc，所述第三分压电阻R9的另一端与电源VCC连接。第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6使三相运算比较放大电路相互独立，互不影响。
所述信号输出单元包括：第四分压电阻R10、第五分压电阻R11、第六分压电阻R12、第七分压电阻R13、第八分压电阻R14、NPN三极管Q1、PNP三极管Q2、第四比较运算放大器A4、隔离光耦U4及第七二极管D7、第八二极管D8,所述NPN三极管Q1基极连接所述信号调理电路输出端Uc、集电极通过依次串接第七二极管D7、第八二极管D8及第四分压电阻R10与电源VCC连接，发射极接地；所述PNP三极管Q2集电极通过第五分压电阻R11与电源VCC连接，基极连接于第八二极管D8与第四分压电阻R10之间，发射极通过第六分压电阻R12接地；所述第四比较运算放大器A4同相端连接与所述基准电压发生单元的输出端连接，反相端通过第六分压电阻R12接地；所述隔离光耦U4原边输入端通过第八分压电阻R14与电源VCC连接，原边输出端连接所述第四比较运算放大器A4输出端，副边输入端连接电源VCC,副边输出端发出信号至保护装置处理器。所述信号输出单元在三相电路完好时，不发出信号，保护装置不动作；当三相线路缺相时，输出缺相信号Fault给保护装置处理器，进而做出相应的保护动作。
下面结合电路图对本实用新型的工作原理进行说明。
三相线路电压波形图对本实用新型的工作原理进行解释。图2为当三相输入电压正常时，三相线路电压的波形图。为便于分析，将一个电源周期等分为如图2所示的6等份：T1、T2、T3、T4、T5、T6。在这六个区间，三相电源之间的关系如表1所示：
表1
在区间T1内，UA>UC>UB，A相电压最大，B相电压最小，因此，在图1中的光藕U1原边经二极管VD2导通，则电源VCC经电阻R4和光耦U1的副边接地，进而输出一个低电平信号到比较运算放大器A1同相端；同时，由基准电压生成电路中的分压电阻R7、R8生成一个较高电平信号输送至比较运算放大器A1的反相端，因而比较运算放大器A1输出一个低电平信号给NPN三极管Q1，无故障信号输出。
以此类推，在区间T2、T3、T4、T5、T6时，控制信号UC均为低电平，也就是说，当三相输入电压正常时(不缺相)，控制信号UC一直为低电平，从而使缺相告警信号为低电平。
当三相输入电压缺相时，以C相线路缺相为例。由于缺C相时，线电压只有UAB一相，当UAB在过零点附近时，光藕U1不导通，其余两个光藕也不导通，此时电源分别经分压电阻R4、R5、R6接地的回路均不通，在三个运算比较放大器同相端输入均为高电平，比三个运算比较放大器反相端的输入电平高，因此控制信号UC为高电平信号；进而三极管Q1、Q2导通，使运算放大器输出一个低电平信号，继而光耦U4输出故障信号Fault至保护装置处理器，处理器发出相应的命令保护充电机。
为更好地阐述本实用新型工作原理，下面根据电路元器件参数对保护电路关键点信号电压进行计算。
图1中各点电压设定如下：UA：运算放大器比较输入端电压；UB：运算放大器U4反向端输入电压；UC：三极管Q1基极控制信号；UR：所有运算放大器的基准电压。
电路中各元器件参数选择如下：光藕的电流传输比CTR＝100％，选取电阻R1＝R2＝R3＝150KΩ，R4＝R5＝R6＝6.8KΩ，R7＝2.4KΩ，R8＝5.6KΩ，R11＝0.91KΩ，R12＝59KΩ，C2＝1.43μF，VCC＝15V。
1)控制信号UC的计算
基准电压UR为：
因此运算放大器比较电压输入端的电压至少为VA＝15-I×6.8＝10.5V时，比较运算放大器输出才输出高电平信号。
而光藕集电极电流为：
根据CTR＝100％，可得光耦原边电流：
而在光藕原边电路中：
所以原边最小电压：U＝0.66mA×300+2.2＝200.7V
即当光藕原边电路线电压瞬时值大于200V时，UA<10.5V，则UC为低电平；
当光藕原边电路线电压瞬时值小于200V时，UA>10.5V，则UC为高电平。
因此在三相输入电压缺相时，控制信号UC为一个方波信号，波形如图3所示。
2)运算放大器A4反相输入端电压UB的计算
一个电源周期T＝20ms，设线电压从0V上升到200V的时间为t，则有
则
所以t＝1.2ms，则控制信号UC高电平维持时间为2.4ms，低电平维持时间为10-2.4＝7.6ms。
当控制信号UC为高电平时，三极管Q1、Q2导通，+15V电源通过电阻R11、R12给电容C2充电，当控制信号UC为低电平时，三极管Q1、Q2截止，电容C2通过电阻R12放电，显然，UB实际上为一个直流电压迭加一个脉动信号，只要UB的波不小于10.5V，则运算放大器U4反向输入端的输出就一直为低电平，缺相告警信号Fault一直为高电平，表示三相输入缺相。三相电路C相缺相时UB的波形如图4所示。
根据电气元器件参数，电容C2的充电时间常数：
τ＝(R11//R12)×C2＝(0.91//59)×103×1.47×10-6＝1.317ms
设在UC的2.4ms高电平维持时间内，UB电压从0V上升到10.5V所用时间为t，则有
所以
显然此时间小于2.4ms。
电容C2的放电时间常数：
τ＝R12×C2＝59×103×1.47×10-6＝86.73ms
在Uc的7.6ms低电平维持时间内，UB电压从15V下降到电压U1，则有
也就是说在整个7.6ms低电平维持时间内，UB一直大于10.5V，所以缺相告警信号Fault恒为高电平。
综上所述，本实用新型能够有效、可靠的对三相线路的缺相故障进行检测，并传送缺相故障信号给保护装置处理器，进而完成对充电机的保护。

Claims (5)

1.一种充电机的缺相保护电路，其特征为：包括电压检测单元、基准电压发生单元和信号调理单元及信号输出单元,所述信号调理单元将所述电压检测单元的输出叠加与所述基准电压发生单元电路产生的基准电压进行比较，发出相应电平信号给所述信号输出单元，信号输出单元用于发送相应信号给保护装置。
2.根据权利要求1所述的一种充电机的缺相保护电路，其特征为：
所述电压监测单元包括分别与三相电源线路对应的A、B、C电压检测电路；
其中A相电压检测电路包括A相限流电阻(R1)、A相光耦(U1)、A相续流二极管(D1)、A相分压电阻(R4),A相光耦(U1)原边通过限流电阻(R1)连接三相电源的A相线路，并与A相续流二极管(D1)反向串联，A相光耦(U1)副边的输入端(UA)通过分压电阻(R4)连接电源VCC,输出端接地；
其中B相电压检测电路包括B相限流电阻(R2)、B相光耦(U2)、B相续流二极管(D2)、B相分压电阻(R5),B相光耦(U2)原边通过限流电阻(R2)连接三相电源的B相线路，并与B相续流二极管(D2)反向串联，B相光耦(U2)副边的输入端通过分压电阻(R5)连接电源VCC,输出端接地；
其中C相电压检测电路包括C相限流电阻(R3)、C相光耦(U3)、C相续流二极管(D3)、C相分压电阻(R6),C相光耦(U3)原边通过限流电阻(R3)连接三相电源的C相线路，并与C相续流二极管(D3)反向串联，C相光耦(U3)副边的输入端通过分压电阻(R6)连接电源VCC,输出端接地；
并且所述电压检测单元中三个光耦原边的输出端短接在一起。
3.根据权利要求1所述的一种充电机的缺相保护电路，其特征为：所述基准电压发生单元包括第一分压电阻(R7)、第二分压电阻(R8)和第一电容(C1)，所述第一分压电阻(R7)一端连接电源(VCC)，另一端通过第二分压电阻(R8)接地，所述第一电容(C1)与所述第二分压电阻(R8)并联,所述第一分压电阻(R7)和第二分压电阻(R8)的连接端为基准电压发生单元的输出端。
4.根据权利要求1所述的一种充电机的缺相保护电路，其特征为：所述信号调理单元包括：A相比较运算放大器(A1)、B相比较运算放大器(A2)、C相比较运算放大器(A3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、第三分压电阻(R9)，其中所述A相比较运算放大器(A1)、B相比较运算放大器(A2)、C相比较运算放大器(A3)的同相端依次与所述A相光耦(U1)、B相光耦(U2)、C相光耦(U3)副边的输入端连接，反相端均连接在所述基准电压发生单元的输出端，所述A相光耦(U1)、B相光耦(U2)、C相光耦(U3)的输出端分别通过第四二极管(D4)、第五二极管(D5)、第六二极管(D6)与第三分压电阻(R9)的一端连接形成信号调理单元输出端(Uc)，所述第三分压电阻(R9)的另一端与电源(VCC)连接。
5.根据权利要求1所述的一种充电机的缺相保护电路，其特征为：所述信号输出单元包括：第四分压电阻(R10)、第五分压电阻(R11)、第六分压电阻(R12)、第七分压电阻(R13)、第八分压电阻(R14)、NPN三极管(Q1)、PNP三极管(Q2)、第四比较运算放大器(A4)、隔离光耦(U4)及第七二极管(D7)、第八二极管(D8),所述NPN三极管(Q1)基极连接所述信号调理电路输出端(Uc)、集电极通过依次串接第七二极管(D7)、第八二极管(D8)及第四分压电阻(R10)与电源(VCC)连接，发射极接地；所述PNP三极管(Q2)集电极通过第五分压电阻(R11)与电源(VCC)连接，基极连接于第八二极管(D8)与第四分压电阻(R10)之间，发射极通过第六分压电阻(R12)接地；所述第四比较运算放大器(A4)同相端与所述基准电压发生单元的输出端连接，反相端通过第六分压电阻(R12)接地；所述隔离光耦(U4)原边输入端通过第八分压电阻(R14)与电源(VCC)连接，原边输出端连接所述第四比较运算放大器(A4)输出端，副边输入端连接电源(VCC),副边输出端发出信号。
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