Защита от холостого хода и перегрузки для двигателей переменного тока | Полный проект электроники

Бывают случаи, когда водяной насос работает на холостом ходу, когда в системе нет воды. отстойник/подземный резервуар или беговая дорожка случайно оставлены включенными. В таких случаях двигатели этих электрических машин работают без необходимости. Продолжительная работа с ними может привести к выгоранию. Такие ситуации можно решить, используя схему защиты от холостого хода и перегрузки. Он может switch отключить устройство в течение case перегрузки. Авторский прототип показан на рис. 1.

Цепь и работа

Схема устройства защиты от холостого хода и перегрузки для цепи с двигателем переменного тока показана на рис. 2. Она построена на основе таймера NE555 (IC1), счетчик десятилетий 4017 (IC2), счетверенный компаратор LM339 (IC3), счетверенный вентиль ИЛИ-НЕ CD4001 (IC4), трансформатор тока (CT1), транзисторы BC547 (T1, T3, T4) и SL100 (T2) и несколько других компонентов. Схема работает от источника постоянного тока 12 В. Вы можете использовать блок SMPS 12 В, 1 А к разъему CON1.

Тактовый сигнал подается на декадный счетчик 4017 (IC2) от нестабильного мультивибратора, подключенного к таймеру NE555 (IC1) через логический элемент NOR N4. Другой вход N4 питается от выхода Q4 IC2. Если на Q4 микросхемы IC2 низкий уровень, тактовый импульс поступает в счетчик IC2.

В нормальной ситуации Q4 IC2 будет находиться в низком состоянии, за исключением состояния холостого хода. На выходе Q0 IC2 будет высокий уровень if. Вывод сброса 15 IC2 находится в высоком состоянии. Когда вывод сброса 15 находится в низком состоянии, он позволяет счетчику вести счет, поэтому каждый выход (от Q0 до Q3) последовательно меняет состояние с низкого на высокий. Все четыре выхода (от Q0 до Q3) соединены логическим ИЛИ и используются для управления Т2 и включения реле RL1.

Если Q4 микросхемы IC2 становится высоким, вентиль NOR N4 не позволит тактовому импульсу войти в счетчик. Таким образом, Т2 будет выключен, а RL1 обесточен. Это состояние будет continue до следующего перезапуска источника питания.

Количество тока нагрузки, подаваемого на электрическое устройство с электроприводом, измеряется катушкой трансформатора тока 50 Гц, 10 А (CT1) в виде напряжения переменного тока. Выборочное переменное напряжение в катушке трансформатора тока пропорционально току нагрузки электрического устройства. Это переменное напряжение частотой 50 Гц на катушке выпрямляется и фильтруется для получения соответствующего образца постоянного напряжения. Выборочное напряжение постоянного тока сравнивается с опорными напряжениями, полученными через две резистивные цепи в двух компараторах A1 и A3 LM339 (IC3).

В условиях нормальной нагрузки напряжение потенциометра VR2 (который используется для проверки состояния холостого хода) должно быть установлено немного меньше, чем образец напряжения постоянного тока. Это обеспечивает высокий выходной сигнал на выводе 2. Если ток нагрузки уменьшается, опорное напряжение от VR2 становится выше, чем напряжение выборки, и выходной сигнал A1 на выводе 2 становится низким.

В условиях нормальной нагрузки опорное напряжение от VR3 устанавливается достаточно выше, чем образец напряжения постоянного тока. Это дает низкий выходной сигнал на выводе 14 А3. Если возникает состояние перегрузки, напряжение выборки становится выше опорного напряжения постоянного тока, и выходной сигнал на выводе 14 А3 становится высоким.

Ворота N2 микросхемы IC4 подключены как вентиль НЕ (инвертор) для создания импульсной цепи начального сброса с RC-цепью, образованной R12 и C6. Эта схема сброса необходима для сброса счетчика IC2 при первоначальном включении питания, чтобы выход Q0 микросхемы IC2 стал высоким и включил Т2. Это, в свою очередь, подает питание на реле RL1 для подачи переменного тока на нагрузку.

Выборочное напряжение постоянного тока от выпрямителя подается на катод D1. Он используется для сравнения и логической работы вентилей. Обычно на выходе А3 на выводе 14 низкий уровень, а конденсатор С7 находится в разряженном состоянии. Стабилитрон ZD1 не будет проводить ток, а SCR1 будет отключен. T4 включается, когда он получает базовое смещение через R16, LED3, D7, D8 и R20.

T3 выключается, поскольку его база заземлена через T4. Выключенное состояние Т3 не снижает напряжение смещения базы Т2. T2 контролируется выходными уровнями от Q0 до Q3 IC2. Таблица показывает истинность вентиля NOR.

Работа схемы при различных условиях нагрузки

Токовое состояние нормальной нагрузки

В этом состоянии выборочное напряжение постоянного тока от выпрямителя на контактах 5 и 9 микросхемы IC3 больше, чем его опорное напряжение на контакте 4, и меньше, чем его опорное напряжение на контакте 8. Поскольку ток нагрузки различается для различных электрических устройств, например, двигателей водяных насосов с разной номинальной мощностью, опорные напряжения на контактах 4 и 8 должны быть установлены с помощью VR2 и VR3 для условий холостого хода и перегрузки соответственно.

На выходе 2 микросхемы IC3 высокий уровень, а на выводе 14 низкий уровень (после задержки первоначального сброса). Выход N1 на выводе 3 IC4 имеет низкий уровень, а инвертированный выход на выводе 10 разъема N3 имеет высокий уровень. Это высокое состояние удерживает IC2 в состоянии сброса. Q0 имеет высокий уровень, а счетчик IC2 не работает. Высокий уровень Q0 используется для switch на T2 и подачи питания на RL1. Он подключает питание переменного тока к нагрузке через контакты реле. В этом состоянии T3 отключается и поддерживает базовое смещение T2 на высоком уровне.

Состояние тока холостого хода или низкой нагрузки

В этом состоянии выборочное напряжение постоянного тока от выпрямителя на выводе 5 меньше опорного напряжения на выводе 4 от VR2. Выход A1 на выводе 2 IC3 становится низким, а выход N1 на выводе 3 IC4 становится высоким. Инвертированный выход на выводе 10 N3 становится низким. На выводе сброса 15 микросхемы IC2 устанавливается низкий уровень. Это позволяет счетчику пройти через Q1, Q2, Q3 и Q4. Здесь между Q0 и Q3 соединены ИЛИ и используются для управления T2, так что T2 проводит ток до тех пор, пока выходной сигнал счетчика не достигнет Q4.

Этот механизм предусмотрен для установления достаточной задержки перед отключением питания нагрузки. Эту задержку можно регулировать, изменяя частоту нестабильного мультивибратора IC1, регулируя значение потенциометра VR1. Как только Q4 становится высоким и управляет T1, включается пьезозуммер (PZ1). Высокий уровень Q4 подается на вывод 13 вентиля NOR N4, который блокирует тактовые импульсы IC2 на выводе 14. Работа счетчика IC2, логических схем и компараторов замирает до следующего отключения и включения питания переменного тока с помощью switch S1.

Если используется SMPS 12 В, его входное питание должно подаваться через switch S1.

Состояние перегрузки или короткого замыкания

В этом состоянии напряжение выборки постоянного тока от выпрямителя на выводе 9 превышает напряжение на VR3. Выход A3 на выводе 14 меняется с низкого на высокий. Этот высокий уровень подается на обратносмещенный стабилитрон ZD1 через интегратор, образованный резисторами R10 и R17, и конденсатором C7. Эта сеть интегратора и стабилитрон обеспечивают достаточную задержку для запуска SCR1 через его затвор. Задержка времени необходима во избежание нежелательного отключения нагрузки из-за начального броска тока индуктивной нагрузки или возникновения кратковременной перегрузки.

В case SCR1 срабатывает из-за длительной (более времени задержки, заданной интегратором и стабилитроном) состояния перегрузки, анодный потенциал SCR падает ниже одного вольта. Этого небольшого анодного напряжения недостаточно для прямого смещения диодов D7 и D8, которые, в свою очередь, отключают T4. В отключенном состоянии T4 включается T3 switch, а потенциал его коллектора снижается до потенциала земли. Это, в свою очередь, снижает базовое смещение Т2, что приводит к его отключению. Это приводит к обесточиванию RL1 и прекращению подачи сетевого питания на нагрузку.

Как только SCR1 срабатывает и начинает проводить ток между катодом и анодом, состояние продолжается до тех пор, пока питание не выключится и не включится снова. Светодиод 3 (изначально тусклый) горит ярко, указывая на зарегистрированное состояние перегрузки до следующего перезапуска. Отключение источника питания от нагрузки с помощью RL1 устанавливает состояние отсутствия нагрузки. Начинает срабатывать схема обнаружения холостого хода, и из зуммера PZ1 раздается звуковой сигнал.

Первоначальный сброс и продление подачи питания на нагрузку

При первоначальном включении источника питания напряжение 12 В SMPS/12 В постоянного тока увеличивает напряжение питания постоянного тока в цепи. Высокий выход счетчика не может находиться между Q0 и Q3. Таким образом, T1 и RL1 не должны быть под напряжением до тех пор, пока вывод сброса 15 IC2 не станет высоким. Вначале компаратор A1 без нагрузки микросхемы IC3 выдает низкий выходной сигнал, а выходной сигнал затвора N2 остается высоким до тех пор, пока напряжение на C6 не достигнет достаточного уровня, чтобы изменить выходное состояние N2 на низкое.

Сеть задержки сброса состоит из R12, C6 и N2. В начале фазы switch-включения вход вентиля N1 имеет высокий и низкий уровень, и он дает низкий выходной сигнал. N3 инвертирует его в высокий уровень, что сбрасывает IC2. Теперь Q0 IC2 становится высоким и управляет T1 и подает питание на RL1.

Создание и тестирование

Схема PCB фактического размера устройства защиты от перегрузки холостого хода для цепи двигателя показана на рис. 3, а расположение его компонентов - на рис. 4.

Загрузите PDF-файлы PCB и компоновки компонентов: нажмите здесь

Подключите SMPS 12 В или 12 В постоянного тока к цепи и поместите PCB в подходящую коробку из ПВХ. Поскольку используется сеть переменного тока, используйте разъемы с соответствующими номиналами и провода для входа и выхода переменного тока. Разместите светодиоды питания, нормальной мощности и перегрузки на передней панели коробки из ПВХ. Сделайте в коробке отверстие для звукового сигнала, указывающего на состояние отключения выхода. Протяните заземляющий провод от сети переменного тока к нагрузке через коробку.

Чтобы выполнить настройку на холостом ходу и при перегрузке, измерьте напряжение образца выпрямителя на катоде D1 с помощью цифрового мультиметра. Окно выборочного напряжения для безопасной работы электрической цепи должно быть определено с верхним и нижним пределом. Настройте VR2 на нижний предел напряжения на его переменном плече и земле, а настройте VR3 на верхний предел напряжения на его переменном плече и земле.

Например, if выпрямитель обеспечивает выборочное напряжение постоянного тока 6 В в состоянии нормальной нагрузки, вы можете выбрать окно между 5 В и 8 В. (Поскольку для состояния холостого хода предусмотрена достаточная задержка, любые мгновенные или кратковременные состояния холостого хода не повлияют на нормальную работу схемы.) Установите напряжение на переменном плече VR2 и земле на 5 В, а напряжение на переменном плече VR3 и земле на 8 В.

Трансформатор тока

Базовый первичный ток составляет 1 А, максимальный первичный ток — 10 А. Рабочая частота 50Гц, коэффициент намотки while 1:1200.

Примечания

Через трансформатор тока (CT1) следует пропускать только фазный провод со стороны нагрузки.

Вместо источника питания 12 В постоянного тока можно использовать SMPS 12 В, 1 А.

Входное питание переменного тока напряжением 12 В SMPS должно подаваться после включения switch S1, чтобы вся схема сбрасывалась путем выключения и включения S1 после возникновения аварийного состояния.

Сантош.CC работает помощником генерального директора в Управлении аэропортов Индии, Бангалор. Имеет более чем 28-летний опыт обслуживания электронного оборудования.