使用变换器采样的电路具备过载与速断保护：检修方法

●电路特点与应用范围：图2-137所示为采用电流/电压变换器采样的具有过载和速断保护电路。该电路采用电流/电压变换器采样，经集成电路放大处理后控制出口电路工作，同时合闸回路具有防跳跃功能，电源采用12V开关电源，由于电路简单，适于批量生产。可用于大容量高压异步电动机的控制和保护。

●工作原理：图2-138是弱电控制、保护部分的原理框图。它主要由检测电路、整流电路、滤波电路、延时电路、稳压电路、电压比较电路、逻辑处理电路、事故掉牌电路、跳闸出口电路、防跳电路、合闸电路、合闸出口电路等组成。

图2-137　用电流/电压变换器采样的具有过载和速断保护电路

（a ）主电路；（b ）弱电控制保护电路；（c ）强电控制电路

图2-138　弱电控制保护电路原理框图

（1）电流/电压变换器。在较大容量电动机的保护电路中，常用电流互感器把一次大电流转换成二次小电流驱动热继电器和过电流继电器，该电路把电流互感器的二次电流输入到电流/电压变换器，使电流信号转换为电压信号，如图2-139所示。

电流/电压变换器是带屏蔽的隔离变换器，它的作用是：

图2-139　电流/电压变换器原理图

1）使电流互感器二次电流变换成起动电路所需的电压信号。

2）通过改变抽头，可大范围的调整动作定值范围。

3）电流互感器二次设备的接地和弱电电路不允许接地的矛盾通过铁芯的电气隔离得以解决。

4）减小交流电路对保护的干扰，增强保护电路的抗干扰能力。

电流/电压变换器的原边串于电流互感器的二次回路中，副边有两套绕组，每套绕组中又有抽头，第一套绕组有三种电压输出，分别为UAB、UBC、UAC，用于过载保护；第二套绕组也有三种电压输出，分别为UDE、UEF、UDF，用于速断保护。通过调节整流桥输入端接于变流器二次侧的不同位置，可以满足不同容量电动机的需要。

（2）整流、滤波、延时、稳压电路（以过载保护为例说明）。

如图2-140所示，电流/电压变换器输出的交流电压经整流桥VC1，整流得到直流信号，再经RP1对电容C1充电，C1既起到滤波作用，又和过载微调电位器RP1组成反时限延时电路。电动机的过载电流越小，电容C1的充电时间越长；电动机的过载电流越大，电容C1的充电时间越短，从而实现反时限动作特性。

R1是电容C1的放电电阻，它的作用是当电动机短时过载时，电容C1上的电压增大一点，但只要UC1＜UJ（UJ是运算放大器的基准电压），运算放大器就不翻转，过载消失后，电容C1上所增加的电压将通过R1放电而逐渐恢复正常值，从而可以保证每次过载时，电容C1上的电压都是从正常负载对应的电压开始上升，确保短时过载不误动。

V1是幅值限制稳压管，其作用是使送入后级的直流电压稳定在稳压管的击穿电压值以内，不让过高的直流电压送给后级起动电路。

（3）电压比较电路。电压比较电路采用运算放大器LM324，如图2-140虚线右侧所示。

该电压比较电路为具有正反馈的直接耦合放大电路。当Ui＞UJ时，运算放大器翻转，输出高电平信号，送入下级电路；而Ui＜UJ时，运算放大器不翻转，输出低电平信号。

图2-140　整流、滤波、延时、稳压电路

R5为限流电阻；R9、R10为基准电压的分压电阻，运算放大器的同相端接输入直流电压信号，反相端接基准电压V5、V6为起止二极管，它可以防止过载电压与电源电压相互干扰；R11为电压比较电路的反馈电阻，调节R11可改变过载保护的反馈系数（反馈系数还与R5、UJ以及直流供电电源有关）。

（4）逻辑处理电路。逻辑处理电路由IC2二输入或门CD4071及外围元件组成，如图2-141所示。

图2-141　逻辑处理电路

当电动机出现长时间过载，运算放大器LM324输出的高电平信号，输入到二输入或门CD4071的①脚或②脚，CD4071的③脚就输出高电平，该高电平信号经连接片1LP输入到CD4071的另一组或门电路的⑧脚，并由①0脚输出高电平使后级光电耦合器导通。

当电动机内部绕组短路或外部接线短路时，通过电流/电压变换器采样，经整流、滤波、稳压电路、电压比较电路放大后输出的高电平信号输入到二输入或门CD4071的⑤脚或⑥脚，CD4071的④脚输出高电平信号，该高电平信号经连接片2LP作用于CD4071的⑨脚，并由①0脚输出高电平，光电耦合器也导通。

（5）出口电路。出口电路由光电耦合器隔离后，经七反向驱动器使出口小继电器吸合。下面以跳闸出口电路为例加以说明。跳闸出口电路如图2-142所示。

电压比较电路输出的高电平信号经逻辑电路作用于光电耦合器TIL117（IC5）的①脚，使光电耦合器内的发光二极管发光，触发其内部的光敏三极管导通，TIL117（IC5）的④脚输出高电平，此高电平经二极管V13作用于七反向驱动器MC1416的③脚，七反向驱动器MC1416的①4脚输出低电平，驱动小型出口继电器KA1，使KA1得电吸合，KA1动合（常开）触头闭合，跳闸线圈YA—F得电；断路器跳闸。

图2-142　跳闸出口电路

光电耦合器TIL117起光电隔离作用，使逻辑处理电路与继电器等外部元件中断了电的联系，防止出口继电器断开时产生的反向高电压对前级CMOS集成电路的破坏。因为出口继电器线圈为感性元件，由楞次定律可知，在断开瞬间，线圈两端将产生一个极性相反的高电压，虽然线圈两端并有续流二极管，但由于二极管的响应时间与CMOS芯片的响应时间是一个等级，因此易造成CMOS芯片的击穿。而采用光电耦合器后，提高了电路运行的可靠性。

3LP为保护检查连接片，电动机运行检查时，把3LP断开，按下自检按钮SB1，可检查电路的工作情况，检查完毕，再把3LP投入。

（6）事故掉牌电路。当保护动作时，R—S触发器CD4043的触发输入端S得到来自逻辑电路的高电平信号，R—S触发器被触发并记忆下来，使Q端输出高电平信号，此高电平信号作用于反向驱动器MC1416，使发光二极管HL5或HL6发光并保持下来，直到复位按钮SB2按下，R—S触发器的R端得到复位信号后才被复位，掉牌指示灯HL5或HL6才能熄灭。

（7）自检电路。为了便于检查保护电路是否正常，电路中设置了自检按钮SB1和连接片3LP，可以很方便地对保护电路进行检查，电动机处于停机状态时，可直接按下自检按钮SB1，观察发光二极管HL1～HL6是否点亮及跳闸出口小继电器KA1是否吸合，来判断保护电路是否正常。正常情况下，反光二极管HL1～HL6均应点亮，跳闸出口小继电器KA1应吸合，若反光二极管HL1～HL6个别或全部不亮，跳闸出口小继电器KA1也不吸合，则表明保护电路存在故障，应检修后才能起动电动机。

电动机处于运行状态时，应先将连接片3LP断开，再按下自检按钮SB1，这时反光二极管HL1～HL6也应点亮，但由于IC5的⑤脚无供电电源，跳闸出口小继电器不会误动作，自检完毕后，应将连接片3LP连接好。

（8）闪光信号源电路。闪光信号源电路由NE555（IC9）和外围阻容元件构成，如图2-143所示。

等效电路图中，Ra＝Rb＝Rc，比较器A1和A2的参考电压分别为，接通电源后，电源通过R24、R25对电容C6进行充电，当电容C6两端电压时，A2输出高电平，R—S触发器置1，这时Q端为高电平，HL7处于熄灭状态，Q端为低电平，放电三极管V处于截止状态，电源继续对C6充电。当时，A1输出高电平，而A2输出低电平，R—S触发器置0，这时Q端变为低电平，闪光发光二极管HL7点亮，变为高电平，放电三极管V导通，电容C6通过R25和V放电；当放电到时，A1翻转输出低电平，而A2仍输出低电平，R—S触发器保持原状态不变，电容C6继续放电；当时，A2翻转输出高电平，R—S触发器置1，此时Q端变为高电平，HL7熄灭，Q端变为低电平，放电三极管V截止，电源又通过R24、R25对C6进行充电，这样循环往复，在NE555的③脚就输出一系列方波。改变电阻R24、R25和电容C6的大小，可改变输出方波的占空比和频率。

（9）合闸回路。合闸前，触点SA5—8处于断开状态，六反向器CD4069的①脚输入为低电平，其②脚输出高电平，该高电平信号作用于CD4043的①1脚S端，使其①0脚Q端输出高电平信号并记忆下来，该高电平信号送入二输入与门CD4081的①脚，为合闸做好准备。(www.xing528.com)

图2-143　闪光信号源及其工作波形

（a）闪光信号源；（b）等效电路；（c）波形图

当触点SA5—8闭合时，CD4081的②脚为高电平，虽然此时CD4069的①脚变为高电平，其②脚反向后变为低电平，但R端无复位信号，使CD4043的①0脚保持高电平不变，所以在合闸瞬间，CD4081的①、②脚均为高电平，③脚输出高电平，使TIL117（IC8）内的发光二极管导通，TIL117（IC8）的④脚输出高电平，经MC1416驱动，使合闸出口小继电器KA2吸合，直流接触器KM、合闸线圈YA—N先后得电吸合，断路器QF合闸，电动机得电起动。

（10）“防跳”措施。若合闸过程中，电动机绕组或断路器后级供电线路出现短路故障，CD4071的①0脚输出高电平信号，该高电平信号一方面经光电耦合器TIL117（IC5）和MC1416驱动跳闸出口小继电器KA1动作完成跳闸，另一方面作用于CD4043的R端，使CD4043的Q端输出低电平，这时即使万能转换开关SA的手柄未复归或其触点被卡住，也不会使合闸接触器KM再次导通，从而防止了断路器发生“跳跃”现象。

（11）合闸过程中位置指示灯的工作情况。当万能转换开关SA处于“跳闸后”位置时，从图2-133（b）开关图表可知，触点SA10—11闭合，绿灯HL—G亮，将万能转换开关SA的手柄由“跳闸后”的水平位置顺时针方向转到“预备合闸”的垂直位置时，开关触点SA10—11断开，SA9—10闭合，绿灯回路改接到闪光信号源NE555的③脚输出的闪光信号上，绿灯HL—G闪光，合闸完毕后，断路器的辅助触点也被联动，QF1断开，绿灯HL—G熄灭，QF2闭合，红灯HL—R点亮。

（12）手动跳闸过程及指示灯的工作情况。将操作手柄向左转到“预备跳闸”的水平位置，此时万能转换开关触点SA14—15接到闪光信号源NE555的③脚，红灯HL—R闪光，然后再向左转45°，万能转换开关的触点SA6—7接通跳闸回路，跳闸线圈YA—F得电，断路器立即跳闸，同时断路器的辅助触点也被联动，QF2断开，红灯熄灭；QF3断开，跳闸线圈断电；QF1闭合，绿灯点亮；QF4闭合，为下次合闸做好准备。

（13）事故跳闸及报警电路（以速断保护为例说明）。若电动机A相绕组出现故障，电流互感器TA1的一、二次电流同时增大，VC2整流后的直流电压迅速增高，LM324⑤脚的电压高于其⑥脚的基准电压UJ，LM324的⑦脚输出高电平并作用于CD4071的⑤脚，CD4071的④脚变为高电平，该高电平信号使光电耦合器TIL117（IC5）的④脚输出高电平，又经MC1416反向驱动跳闸出口小继电器KA1，KA1线圈和YA-F线圈先后得电，断路器跳闸。

断路器QF跳闸后，其辅助触点QF4闭合，而此时万能转换开关触点SA1—3和SA17—19也处于接通状态，所以警铃HA发出事故音响信号，提醒工作人员电动机已保护跳闸。

■故障现象1：合闸时，合闸出口小继电器KA2不吸合。

■故障原因及对症快修：上述故障可先观察发光二极管HL7是否闪光，来判断12V电源是否正常，若HL7不闪光，说明开关电源故障，应检修开关电源；若HL7闪光正常，说明12V电源正常，然后采用电压法测量。测量时可以从前往后，也可以从后往前，还可以测量关键测试点以判断故障范围。下面介绍从前往后测量来查找故障点。

先将万用表置于合适的直流电压档，再把黑表笔接在12V电源的负极，然后按下列步骤测量。

（1）将万能转换开关转到“合闸”位置，测量触点SA5—8两端是否有12V电压，若SA的⑤脚无12V电压，则表明12V电源至万能转换开关SA的连接导线松脱；若SA的⑤脚电压正常，而⑧脚无电压，则表明触点SA5—8接触不良；若SA的⑧脚电压正常，可进行下一步。

（2）测量CD4081的③脚有无高电平信号，若无高电平信号，可测量CD4081的①脚和②脚的电平，若其①和②脚均为高电平，而③脚为低电平，一般由于CD4081损坏，应更换；若CD4081的②脚为高电平，而①脚低电平，则一般由于CD4069或CD4043损坏。CD4081的③脚电压正常时，可进行下一步。

（3）测量TIL117（IC8）的④脚有无高电平输出，若无高电平，则表明TIL117（IC8）损坏或限流电阻R23开路等。若TIL117（IC8）的④脚有高电平输出，可进行下一步。

（4）测量MC1416的①3脚是否为低电平，若为高电平，则可能由于二极管V15极性接错或MC1416损坏，若为低电平，继电器KA2线圈应得电吸合，否则KA2损坏。

查明故障原因后，应更换损坏的元件，接好脱落连线等处理。

■故障现象2：按下SB1，跳闸出口继电器KA1不吸合。

■故障原因及对症快修：

（1）发光二极管HL1～HL6均不发光，则可能由于：①自检按钮SB1接触不良；②运算放大器LM324损坏；③开关电源损坏。应根据情况予以修理或更换。

（2）发光二极管HL1～HL4发光正常，但HL5、HL6不发光，则表明起动电路正常，故障可能在逻辑电路部分。①CD4071损坏；②连接片1LP、2LP接触不良等。应更换CD4071或连接片1LP、2LP。

（3）发光二极管HL1～HL6均发光，则表明故障在出口电路。①光电耦合器TIL117（IC5）损坏；②反向驱动器MC1416损坏；③出口小继电器KA1损坏；④连接片3LP接触不良等。应更换损坏元件，消除接触不良等。

■故障现象3：按下自检按钮SB1，发光二极管HL1～HL6发光正常，出口小继电器KA1吸合正常，而A相故障时，跳闸出口小继电器KA1不吸合。

■故障原因及对症快修：

（1）互感器TA1二次回路开路，应查出开路点，予以修复。

（2）电流/电压变换器T1开路或短路，应更换电流/电压变换器T1。

（3）整流桥VC1、VC2损坏，应更换。

（4）稳压二极管V1、V2或滤波电容C1、C2损坏，应更换。

（5）电位器RP1、RP2接触不良，应更换。

（6）二极管V6、V8脱焊或极性接错等，应重新焊好或调换V8的正负极位置。

（7）定值偏差过大，应重新调整定值。

■故障现象4：保护易误动。

■故障原因及对症快修：

（1）定值调整不合适，应重新计算并调整定值。

（2）元件配置不合适。例如C1、C3过小会使过载时间缩短，R9过大或R10过小，会使LM324的基准电压偏低，造成过载和速断易误动，应重新检查元件参数是否有误，发现错误予以改正。

（3）元件损坏，可测量集成电路主要管脚的输入、输出电平判断故障部位，更换损坏元件。