一种三相电源相序及缺相故障监测与保护电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种三相电源相序及缺相故障监测与保护电路，三相同步检测脉冲信号分别接至CMOS双D集成触发器CD4013的2个D型触发器的输入端和时钟端进行相序监测；同时三相同步检测脉冲信号经微分电路、二极管或门电路及晶体三极管控制的电容充放电电路形成2个D型触发器的异步复位端信号，进行缺相监测用3个发光二极管分别显示相序正确、相序不正确、缺相状态。本实用新型采用价格低廉、应用广泛的集成电路，配以少量分立元器件，可实现错相、缺相故障下的报警与保护。
【专利说明】
一种三相电源相序及缺相故障监测与保护电路
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种故障监测与保护电路，特别是一种三相电源相序及缺相故障 监测与保护电路。
【背景技术】
[0002] 三相电源相序及缺相故障实时监测是确保光伏并网逆变器等可再生能源并网发 电变流器安全可靠运行的重要技术之一。当三相电源相序不正确或发生缺相故障时，应迅 速报警并自动切断三相电源，以保护并网逆变器。
[0003] 虽然将三相同步检测脉冲信号接至单片机或DSP的输入接口，采用软件算法可以 实现三相电源相序及缺相故障实时监测，但消耗了单片机或DSP的软硬件资源，增加了数字 控制器的负担。随着集成电路技术的发展及应用日益广泛，采用以集成电路为核心的硬件 电路对三相电源相序及缺相故障进行实时监测与保护具有实用价值。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型所要解决的技术问题是提供一种三相电源相序及缺相故障检测与保 护电路。
[0005] 为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：
[0006] -种三相电源相序及缺相故障监测与保护电路，其特征在于:CMOS双D集成触发器 CD4013的1脚与TTL与非门集成电路74LS00的1脚连接，三相脉冲信号Ua、Ub、Uc分别与CMOS 双D集成触发器⑶4013的5脚、3脚和11脚连接，CMOS双D集成触发器⑶4013的4脚与CMOS双D 集成触发器⑶4013的10脚、四2输入端与非门CMOS集成电路⑶4011的1脚连接，CMOS双D集成 触发器⑶4013的6脚、7脚和8脚接地，CMOS双D集成触发器⑶4013的9脚与TTL与非门集成电 路74LS00的6脚连接，CMOS双D集成触发器CD4013的12脚与四2输入端与非门CMOS集成电路 ⑶4011的2脚和9脚连接，CMOS双D集成触发器⑶4013的13脚与电阻R1-端和TTL与非门集成 电路74LS00的9脚、10脚连接，电阻R1另一端与光电二极管VD1正极连接，光电二极管VD1负 极接地，CMOS双D集成触发器⑶4013的14脚与直流电源VDD连接，四2输入端与非门CMOS集成 电路⑶4011的3脚、5脚和6脚相互连接后与电阻R2-端连接，电阻R2另一端与三极管VT1基 极连接，三极管VT1发射极接地，三极管VT1集电极与电阻R4-端、电容C1 一端和二极管VD4 正极连接，电阻R4另一端与直流电源VDD连接，电容C1另一端接地，二极管VD4负极与电阻R5 一端连接，电阻R5另一端与电解电容C2正极、三极管VT2基极连接，电解电容C2负极和三极 管VT2发射极接地，三极管VT2集电极与电阻R6-端和四2输入端与非门CMOS集成电路 ⑶4011的8脚连接，电阻R6另一端与直流电源VDD连接，四2输入端与非门CMOS集成电路 ⑶4011的4脚与电阻R3-端连接，电阻R3另一端与光电二极管VD2正极连接，光电二极管VD2 负极接地，四2输入端与非门CMOS集成电路CD4011的7脚接地，四2输入端与非门CMOS集成电 路⑶4011的10脚、12脚和13脚相互连接，四2输入端与非门CMOS集成电路⑶4011的11脚与电 阻R7-端连接，电阻R7另一端与光电二极管VD3正极连接，光电二极管VD3负极接地，四2输 入端与非门CMOS集成电路⑶4011的14脚与直流电源VDD连接，TTL与非门集成电路74LS00的 2脚与电阻R8-端和三极管VTb发射极连接，电阻R8另一端接地，三极管VTb集电极与直流电 源VDD连接，三极管VTb基极与电阻R9-端连接，电阻R9另一端与Ub连接，TTL与非门集成电 路74LS00的3脚、4脚和5脚相互连接，TTL与非门集成电路74LS00的7脚接地，TTL与非门集成 电路74LS00的8脚与电阻R10-端连接，电阻R10另一端与电解电容C3正极和三极管VTJ基极 连接，电解电容C3负极和三极管VTJ发射极接地，三极管VTJ集电极与二极管VD4正极和继电 器J 一端连接，二极管VD4负极和继电器J另一端与电源VJ连接，TTL与非门集成电路74LS00 的14脚与直流电源VDD连接，三相脉冲信号Ua、Ub、Uc分别与电容Ca、Cb、Cc 一端连接，电容 Ca、Cb、Cc另一端分别与电阻Ra、Rb、Rc-端以及二极管VDa、VDb、VDc的正极连接，电阻Ra、 Rb、Rc的另一端接地，二极管VDa、VDb、VDc的负极与电阻Rl 1的一端连接，电阻Rl 1另一端与 三极管VTR的基极连接，三极管VTR的发射极接地并与电容CR-端连接，三极管VTR集电极与 电阻RR-端、电容CR另一端和CMOS双D集成触发器⑶4013的4脚连接，电阻RR另一端与直流 电源VDD连接。
[0007] 进一步地，所述继电器J采用信号为JZX-22F (D) /4Z的直流继电器。
[0008] 进一步地，所述电源VJ选择+12V的直流电源。
[0009] 进一步地，所述电容Ca、Cb、Cc均为O.OOlyF，电阻Ra、Rb、Rc均为100kQ，电容CR采 用3个0.022yF的电容并联，电阻RR为200kΩ，电容C1为0.022yF，电容C2为22yF。
[0010] 本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果:采用价格低廉、应用广泛的集 成电路，配以少量分立元器件，可实现错相、缺相故障下的报警与保护。
【附图说明】
[0011] 图1是本实用新型的一种三相电源相序及缺相故障监测与保护电路示意图。
【具体实施方式】
[0012] 下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对 本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。
[0013] 如图所示，本实用新型的一种三相电源相序及缺相故障监测与保护电路，其特征 在于:CMOS双D集成触发器⑶4013的1脚与TTL与非门集成电路74LS00的1脚连接，三相脉冲 信号Ua、Ub、Uc分别与CMOS双D集成触发器⑶4013的5脚、3脚和11脚连接，CMOS双D集成触发 器CD4013的4脚与CMOS双D集成触发器CD4013的10脚、四2输入端与非门CMOS集成电路 ⑶4011的1脚连接，CMOS双D集成触发器⑶4013的6脚、7脚和8脚接地，CMOS双D集成触发器 ⑶4013的9脚与TTL与非门集成电路74LS00的6脚连接，CMOS双D集成触发器⑶4013的12脚与 四2输入端与非门CMOS集成电路⑶4011的2脚和9脚连接，CMOS双D集成触发器⑶4013的13脚 与电阻R1-端和TTL与非门集成电路74LS00的9脚、10脚连接，电阻R1另一端与光电二极管 VD1正极连接，光电二极管VD1负极接地，CMOS双D集成触发器⑶4013的14脚与直流电源VDD 连接，四2输入端与非门CMOS集成电路CD4011的3脚、5脚和6脚相互连接后与电阻R2-端连 接，电阻R2另一端与三极管VT1基极连接，三极管VT1发射极接地，三极管VT1集电极与电阻 R4-端、电容C1 一端和二极管VD4正极连接，电阻R4另一端与直流电源VDD连接，电容C1另一 端接地，二极管VD4负极与电阻R5-端连接，电阻R5另一端与电解电容C2正极、三极管VT2 基极连接，电解电容C2负极和三极管VT2发射极接地，三极管VT2集电极与电阻R6-端和四2 输入端与非门CMOS集成电路⑶4011的8脚连接，电阻R6另一端与直流电源VDD连接，四2输入 端与非门CMOS集成电路⑶4011的4脚与电阻R3-端连接，电阻R3另一端与光电二极管VD2正 极连接，光电二极管VD2负极接地，四2输入端与非门CMOS集成电路CD4011的7脚接地，四2输 入端与非门CMOS集成电路⑶4011的10脚、12脚和13脚相互连接，四2输入端与非门CMOS集成 电路⑶4011的11脚与电阻R7-端连接，电阻R7另一端与光电二极管VD3正极连接，光电二极 管VD3负极接地，四2输入端与非门CMOS集成电路⑶4011的14脚与直流电源VDD连接，TTL与 非门集成电路74LS00的2脚与电阻R8-端和三极管VTb发射极连接，电阻R8另一端接地，三 极管VTb集电极与直流电源VDD连接，三极管VTb基极与电阻R9-端连接，电阻R9另一端与Ub 连接，TTL与非门集成电路74LS00的3脚、4脚和5脚相互连接，TTL与非门集成电路74LS00的7 脚接地，TTL与非门集成电路74LS00的8脚与电阻R10-端连接，电阻R10另一端与电解电容 C3正极和三极管VTJ基极连接，电解电容C3负极和三极管VTJ发射极接地，三极管VTJ集电极 与二极管VD4正极和继电器J 一端连接，二极管VD4负极和继电器J另一端与电源VJ连接，TTL 与非门集成电路74LS00的14脚与直流电源VDD连接，三相脉冲信号Ua、Ub、Uc分别与电容Ca、 Cb、Cc 一端连接，电容Ca、Cb、Cc另一端分别与电阻Ra、Rb、Rc-端以及二极管VDa、VDb、VDc的 正极连接，电阻Ra、Rb、Rc的另一端接地，二极管VDa、VDb、VDc的负极与电阻Rl 1的一端连接， 电阻Rl 1另一端与三极管VTR的基极连接，三极管VTR的发射极接地并与电容CR-端连接，三 极管VTR集电极与电阻RR-端、电容CR另一端和CMOS双D集成触发器⑶4013的4脚连接，电阻 RR另一端与直流电源VDD连接。
[0014] 继电器J采用信号为JZX-22F(D)/4Z的直流继电器。电源VJ选择+12V的直流电源。 电容Ca、Cb、Cc均为0 .OOlyF，电阻Ra、Rb、Rc均为100k Ω，电容CR采用3个0.022yF的电容并 联，电阻RR为200kΩ，电容C1为0.022yF，电容C2为22yF。
[0015]如图1所示，Ua、Ub、Uc为三相同步脉冲信号，其与三相电网之间可有一定的相位 移，但该相位移的值应固定，且三相一致，另外，各信号在1个360°角周期中的高电平持续宽 度应大于120° +α，小于等于180°，为电路可靠工作，α值应较大且在20° < α < 60°的范围中。 Ua、Ub分别接至CD4013第一个D集成触发器的输入端D1、时钟端CPl，Uc接至CD4013第二个D 集成触发器的时钟端CP2,而第二个D集成触发器的输入信号则为经NPN晶体管VTB构成的射 极跟随器处理后的Ub与第一个D集成触发器输出端Q1经TTL与非门集成电路74LS00进行逻 辑与后的信号。当三相电源相序正确，即依次为Ua、Ub、Uc时，Ub上升沿到来时，Ua为高电平， 则Q1=D1 = 1;而当Uc上升沿到来时，Ub为高电平，Ub与Q1相与的结果使D2 = l，则Q2 = D2 = 1，驱动显示相序正确的发光二极管VD1点亮，Q2经TTL与非门集成电路74LS00得到其逻辑非 信号QT，继电器J不动作，其常闭接点保持三相电源接通。当三相电源相序不正确，即依次为 Uc、Ub、Ua时，当Ub上升沿到来时，Ua为低电平，则Q1 = D1 = 0;而当Uc上升沿到来时，Ub为低 电平，Ub与Q1相与的结果使D2 = 0，则Q2 = D2 = 0，QT = 1，NPN晶体管VT J导通，继电器J得电，J 的常闭接点打开，自动切断三相电源。
[0016] 在图1中，Ua、Ub、Uc分别经Ca和Ra、Cb和Rb、Cc和Rc构成的微分电路得到其各自的 微分信号，Ua、Ub、Uc的微分信号再经快速二极管VDa、VDb、VDc构成的逻辑或门形成驱动NPN 晶体管VTR基极的控制信号，当VTR导通时，电容CR迅速通过VTR放电，电容CR两端电压迅速 下降，由于电容CR两端电压即为CD4013两个D集成触发器异步复位端Rl、R2的控制信号，因 此两个D集成触发器异步复位端的控制信号电压将随电容CR的电压下降而下降；而当截止 时，正电源VDD则通过电阻RR给电容CR放电，电容CR两端电压上升，两个D集成触发器异步复 位端的控制信号电压将随之上升。通过合理选择电阻RR和电容CR的参数，使在120°的间隔 中，电容CR的电压不会因持续充电而上升至高电平的下限；而在超过或等于240°的间隔中， 电容CR的电压会因持续充电而上升至高电平的下限，这样即可实现对缺相的故障监测。因 为若没有缺相，驱动VTR基极的控制信号每隔120°将出现一次，电容CR每隔120°将放电一 次，两个D集成触发器异步复位端的控制信号将达不到高电平的下限，故D集成触发器不复 位;若有缺相，驱动VTR基极的控制信号不是每隔120°出现一次，电容CR将出现超过或等于 240°的持续充电，从而使两个D集成触发器异步复位端的控制信号电压超出高电平的下 限，故D集成触发器复位，Q1 = Q2 = 0，QF= 1，NPN晶体管VTJ导通，继电器J得电，J的常闭接点 打开，自动切断三相电源。
[0017] 当有缺相或错相故障时，在继电器得电工作，自动切断三相电源的同时，图1电路 用发光二极管VD2显示缺相故障，用发光二极管VD3显示相序不正确。将⑶4013第二个D集成 触发器的输出端02 (⑶4013的12脚)接至四2输入端与非门CMOS集成电路⑶4011的2脚和9 脚，将⑶4013两个D集成触发器异步复位端R1、R2的控制信号接至⑶4011的1脚，将⑶4011的 3脚和5脚、6脚相连接，当有缺相故障发生时，CD4011的4脚输出信号即Qfi信号不恒为低电 平，显示缺相的发光二极管VD2被驱动点亮。CD4011的3脚输出信号同时为NPN晶体管VT1的 基极驱动信号，而VT1的集电极输出信号为NPN晶体管VT2的基极驱动信号，VT2的集电极输 出信号接至⑶4011的8脚，将⑶4011的10脚和12脚、13脚相连接，若不缺相但相序不正确时， VT2的集电极输出高电平信号，CD4011的11脚输出信号即QF2信号为高电平，显示相序不正确 的发光二极管VD3被驱动点亮。
[0018] 本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型所作的举例说明。本实用新型 所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方 式替代，只要不偏离本实用新型说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应 属于本实用新型的保护范围。
【主权项】
1. 一种三相电源相序及缺相故障监测与保护电路，其特征在于：CMOS双D集成触发器 CD4013的1脚与TTL与非门集成电路74LS00的1脚连接，三相脉冲信号Ua、Ub、Uc分别与CMOS 双D集成触发器⑶4013的5脚、3脚和11脚连接，CMOS双D集成触发器⑶4013的4脚与CMOS双D 集成触发器⑶4013的10脚、四2输入端与非门CMOS集成电路⑶4011的1脚连接，CMOS双D集成 触发器⑶4013的6脚、7脚和8脚接地，CMOS双D集成触发器⑶4013的9脚与TTL与非门集成电 路74LS00的6脚连接，CMOS双D集成触发器CD4013的12脚与四2输入端与非门CMOS集成电路 ⑶4011的2脚和9脚连接，CMOS双D集成触发器⑶4013的13脚与电阻Rl-端和TTL与非门集成 电路74LS00的9脚、10脚连接，电阻Rl另一端与光电二极管VDl正极连接，光电二极管VDl负 极接地，CMOS双D集成触发器⑶4013的14脚与直流电源VDD连接，四2输入端与非门CMOS集成 电路⑶4011的3脚、5脚和6脚相互连接后与电阻R2-端连接，电阻R2另一端与三极管VTl基 极连接，三极管VTl发射极接地，三极管VTl集电极与电阻R4-端、电容Cl 一端和二极管VD4 正极连接，电阻R4另一端与直流电源VDD连接，电容Cl另一端接地，二极管VD4负极与电阻R5 一端连接，电阻R5另一端与电解电容C2正极、三极管VT2基极连接，电解电容C2负极和三极 管VT2发射极接地，三极管VT2集电极与电阻R6-端和四2输入端与非门CMOS集成电路 ⑶4011的8脚连接，电阻R6另一端与直流电源VDD连接，四2输入端与非门CMOS集成电路 ⑶4011的4脚与电阻R3-端连接，电阻R3另一端与光电二极管VD2正极连接，光电二极管VD2 负极接地，四2输入端与非门CMOS集成电路CD4011的7脚接地，四2输入端与非门CMOS集成电 路⑶4011的10脚、12脚和13脚相互连接，四2输入端与非门CMOS集成电路⑶4011的11脚与电 阻R7-端连接，电阻R7另一端与光电二极管VD3正极连接，光电二极管VD3负极接地，四2输 入端与非门CMOS集成电路⑶4011的14脚与直流电源VDD连接，TTL与非门集成电路74LS00的 2脚与电阻R8-端和三极管VTb发射极连接，电阻R8另一端接地，三极管VTb集电极与直流电 源VDD连接，三极管VTb基极与电阻R9-端连接，电阻R9另一端与Ub连接，TTL与非门集成电 路74LS00的3脚、4脚和5脚相互连接，TTL与非门集成电路74LS00的7脚接地，TTL与非门集成 电路74LS00的8脚与电阻RlO-端连接，电阻RlO另一端与电解电容C3正极和三极管VTJ基极 连接，电解电容C3负极和三极管VTJ发射极接地，三极管VTJ集电极与二极管VD4正极和继电 器J 一端连接，二极管VD4负极和继电器J另一端与电源VJ连接，TTL与非门集成电路74LS00 的14脚与直流电源VDD连接，三相脉冲信号Ua、Ub、Uc分别与电容Ca、Cb、Cc 一端连接，电容 Ca、Cb、Cc另一端分别与电阻Ra、Rb、Rc-端以及二极管VDa、VDb、VDc的正极连接，电阻Ra、 Rb、Re的另一端接地，二极管VDa、VDb、VDc的负极与电阻Rl 1的一端连接，电阻Rl 1另一端与 三极管VTR的基极连接，三极管VTR的发射极接地并与电容CR-端连接，三极管VTR集电极与 电阻RR-端、电容CR另一端和CMOS双D集成触发器⑶4013的4脚连接，电阻RR另一端与直流 电源VDD连接。2. 按照权利要求1所述的一种三相电源相序及缺相故障监测与保护电路，其特征在于： 所述继电器J采用信号为JZX_22F(D)/4Z的直流继电器。3. 按照权利要求1所述的一种三相电源相序及缺相故障监测与保护电路，其特征在于： 所述电源VJ选择+12V的直流电源。4. 按照权利要求1所述的一种三相电源相序及缺相故障监测与保护电路，其特征在于： 所述电容Ca、Cb、Cc均为O.OOlyF，电阻Ra、Rb、Rc均为IOOkQ，电容CR采用3个0.022yF的电容 并联，电阻RR为200kΩ，电容Cl为0.022yF，电容C2为22yF。
【文档编号】H02H3/38GK205565685SQ201620150244
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年2月29日
【发明人】王宏华, 王成亮, 许焕清, 戴锋, 翟学锋, 范立新, 蒋泉, 蒋一泉
【申请人】江苏方天电力技术有限公司, 河海大学, 国网江苏省电力公司, 国家电网公司