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电压流电继电器基于RC网络的相序保护器设计

三相交流电源的相序识别与相序控制在工农业生产中具有重要意义。一般用电设备对三相电源的相位顺序有严格的要求,如螺杆泵电机、风机、阀门电机和液压站电机等。突然出现的负向相序,将导致事故发生。
在传统工业控制中,往往是确保外部电源相序接线的准确性,而忽略了一般情况下确认三相交流电源的相序是比较困难的,况且供电线路的相序一旦改变,则需重新判定相序。若在设备中装有相序自动判定电路,对供电相序预先作出判定,显示相序正常与否,这对于保证用电设备的正常工作具有重要意义。为此,设计了一种简单实用的三相交流电源相序保护器。

1 原理
图1是相序保护器的RC网络电路图,假设A、B、C三端加三相交流电正相序电压,其中R1、C1、C2和满足下列关系:


下面运用相量法求解空载电压。


设线电压有效值为U.则三相交流电线电压可表示为:
若RC网络的A、B、C三端加正相序电压,如图2所示。由θ=30°做出电压三角形ADB,从而可以求得电压

结论1:当RC网络的A、B、C三端加正相序电压时,DE两端输出电压大小约为线电压的0.87倍。
若图1中B和C接线互换,RC网络的A、B、C三端加负相序电压,则R1和C1上电压为,C2和C3上电压为,其相量图如图3所示。



结论2:当RC网络的A、B、C三端加负相序电压时,DE两端输出电压为0V。

2 元器件参数的选择
如图4所示,RC网络电路DE两端接有继电器作为负载。当RC网络加正相序电压时,继电器线圈RL中通有大小为IL的电流,继电器吸合;当加负相序电压时,继电器线圈中无电流通过,继电器不动作。


图4中继电器线圈对DE两端可近似看成短路,为计算短路电流,使用戴维宁定理求DE两端的等效阻抗Z

据以上分析,在已知线电压有效值为U的三相交流用电系统中,根据式(1)~(7)可计算出电路各元器件的选型参数。

3 典型应用
在电动阀门控制系统中,三相交流电的相序的正确与否直接关系着电机是否能够按照指令进行正反转动作,为此在电机控制电路加入相序保护装置显得十分必要,如图5所示。


三相交流电机M、开关QS、熔断器FU1和交流接触器KM2、KM3组成电机正反转控制系统。相序保护电路由电阻R1、电容C1~C4、整流桥VD1、稳压管VDZ1、中间继电器KA、指示氖气灯N1和交流接触器KM1组成。当三相交流电L1、L2和L3为正相序时,继电器KA线圈得电,KA常开触点闭合,交流接触器KM1线圈得电,KM1常开触点闭合,从而KM2和KM3能够正确控制电机的正反转,同时N1点亮,表明相序正确;当三相交流电为负相序时,继电器KA线圈失电,交流接触器KM1线圈失电,KM1常开触点断开,电机停转,同时N1熄灭,表明相序错误。
若按三相交流电线电压U为380 V,中间继电器KA线圈的额定电流为13 mA计算,R1两端承受的峰值电压为,C1、C2、C3两端承受的峰值电压为,则R1取56 kΩ/5 W、C1=C2=C3=0.1μF/1 kV。为了元器件选择方便,元器件参数可以允许有10%的误差,在继电器控KA制回路中加入了稳压管VZ1,所以在加负相序电压时,VZ1克服了DE两端的残余电压,使继电器KA不会误动作。

4 结论
设计了一种基于RC网络的相序保护器,描述了其硬件电路、工作原理和使用方法。在实际应用中,保护器能对380 V三相交流电源作出正确的相序判断,且响应时间小于1 s。与传统相序保护装置相比具有两方面优点:一是该电路结构简单易于实现,且成本较低;二是该电路不仅可以应用到三相四线制系统中,还可以应用到没有中性点的三相系统中。

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