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標簽 > 過流保護電路
電路過電流過電壓保護是為防止主回路短路或直流牽引電動機發(fā)生環(huán)火造成主回路電流過大而損壞同步牽引發(fā)電機、主整流柜等電氣設備，機車在牽引、電阻制動或自負載工況下，對主電路的過電流和過電壓均進行保護。
電路過電流過電壓保護（circuit overcurrent/overvoltage protection）為防止主回路短路或直流牽引電動機發(fā)生環(huán)火造成主回路電流過大而損壞同步牽引發(fā)電機、主整流柜等電氣設備，機車在牽引、電阻制動或自負載工況下，對主電路的過電流和過電壓均進行保護。
交一直流傳動內(nèi)燃機車主電路過流保護電路見下圖。在牽引發(fā)電機（GS）的輸出端設有V形接法的兩個電流互感器（9LH和10LH），其輸出經(jīng)三相橋式整流電路（3ZL）整流后供給過電流繼電器（LJ）的線圈。當主回路電流超過電流限制值時，LJ線圈中達到動作電流使LJ動作，其常開觸頭斷開，通過控制電路切斷牽引發(fā)電機的勵磁回路，使機車卸載，同時司機操縱臺“總過流”信號燈亮。
電路過電流過電壓保護（circuit overcurrent/overvoltage protection）為防止主回路短路或直流牽引電動機發(fā)生環(huán)火造成主回路電流過大而損壞同步牽引發(fā)電機、主整流柜等電氣設備，機車在牽引、電阻制動或自負載工況下，對主電路的過電流和過電壓均進行保護。
交一直流傳動內(nèi)燃機車主電路過流保護電路見下圖。在牽引發(fā)電機（GS）的輸出端設有V形接法的兩個電流互感器（9LH和10LH），其輸出經(jīng)三相橋式整流電路（3ZL）整流后供給過電流繼電器（LJ）的線圈。當主回路電流超過電流限制值時，LJ線圈中達到動作電流使LJ動作，其常開觸頭斷開，通過控制電路切斷牽引發(fā)電機的勵磁回路，使機車卸載，同時司機操縱臺“總過流”信號燈亮。
牽引發(fā)電機輸出過電流保護電路
此外，機車還對牽引發(fā)電機過電壓、牽引發(fā)電機磁場過電流、牽引電動機過電流、牽引電動機磁場過電流（電阻制動工況）、制動電阻過電流等進行保護。這些保護功能都是通過設置在相應電路中的各電壓傳感器或電流傳感器檢測實際的電壓值和電流值，分別與設定的各限壓值或限流值進行比較，一旦超限就立即進行卸載保護或報警。
當某臺（或N臺）牽引電動機因故障而在電路中被切除后，牽引發(fā)電機功率相應降低1/6（或N/6），以免造成運轉(zhuǎn)中的牽引電動機過載。
開關(guān)電源中常用的過流保護方式和電路分析
電源作為一切電子產(chǎn)品的供電設備，除了性能要滿足供電產(chǎn)品的要求外，其自身的保護措施也非常重要，如過壓、過流、過熱保護等。一旦電子產(chǎn)品出現(xiàn)故障時，如電子產(chǎn)品輸入側(cè)短路或輸出側(cè)開路時，則電源必須關(guān)閉其輸出電壓，才能保護功率MOSFET和輸出側(cè)設備等不被燒毀，否則可能引起電子產(chǎn)品的進一步損壞，甚至引起操作人員的觸電及火災等現(xiàn)象，因此，開關(guān)電源的過流保護功能一定要完善。
1開關(guān)電源中常用的過流保護方式
過電流保護有多種形式，如圖1所示，可分為額定電流下垂型，即フ字型；恒流型；恒功率型，多數(shù)為電流下垂型。過電流的設定值通常為額定電流的110％～130％。一般為自動恢復型。
圖1中①表示電流下垂型，②表示恒流型，③表示恒功率型
圖1 過電流保護特性
1.1 用于變壓器初級直接驅(qū)動電路中的限流電路
在變壓器初級直接驅(qū)動的電路（如單端正激式變換器或反激式變換器）的設計中，實現(xiàn)限流是比較容易的。圖2是在這樣的電路中實現(xiàn)限流的兩種方法。
圖2電路可用于單端正激式變換器和反激式變換器。圖2（a）與圖2（b）中在MOSFET的源極均串入一個限流電阻Rsc，在圖2（a）中， Rsc提供一個電壓降驅(qū)動晶體管S2導通，在圖2（b）中跨接在Rsc上的限流電壓比較器，當產(chǎn)生過流時，可以把驅(qū)動電流脈沖短路，起到保護作用。
圖2（a）與圖2（b）相比，圖2（b）保護電路反應速度更快及準確。首先，它把比較放大器的限流驅(qū)動的門檻電壓預置在一個比晶體管的門檻電壓Vbe更 精確的范圍內(nèi)；第二，它把所預置的門檻電壓取得足夠小，其典型值只有100mV～200mV，因此，可以把限流取樣電阻Rsc的值取得較小，這樣就減小了 功耗，提高了電源的效率。
（a）晶體管保護
（b）限流比較器保護
圖2 在單端正激式或反激式變換器電路中的限流電路
當AC輸入電壓在90～264V范圍內(nèi)變化，且輸出同等功率時，則變壓器初級的尖峰電流相差很大，導致高、低端過流保護點嚴重漂移，不利于過流點的一致 性。在電路中增加一個取自＋VH的上拉電阻R1，其目的是使S2的基極或限流比較器的同相端有一個預值，以達到高低端的過流保護點盡量一致。
1.2用于基極驅(qū)動電路的限流電路
在一般情況下，都是利用基極驅(qū)動電路把電源的控制電路和開關(guān)晶體管隔離開來。變換器的輸出部分和控制電路共地。限流電路可以直接和輸出電路相接，其電路如圖3所示。在圖3中，控制電路與輸出電路共地。工作原理如下：
圖3 用于多種電源變換器中的限流電路
電路正常工作時，負載電流IL流過電阻Rsc產(chǎn)生的壓降不足以使S1導通，由于S1在截止時IC1=0， 電容器C1處于未充電狀態(tài)，因此晶體管S2也截止。如果負載側(cè)電流增加，使IL達到一個設定的值，使得ILRsc=Vbe1＋Ib1R1，則S1導通，使 電容器C1充電，其充電時間常數(shù)τ= R2C1，C1上充滿電荷后的電壓是VC1=Ib2R4＋Vbe2。在電路檢測到有過流發(fā)生時，為使電容器C1能夠快速放電，應當選擇R4
1.3 無功率損耗的限流電路
上述兩種過流保護比較有效，但是Rsc的存在降低了電源的效率，尤其是在大電流輸出的情況下，Rsc上的功耗就會明顯增加。圖4電路利用電流互感器作為檢測元件，就為電源效率的提高創(chuàng)造了一定的條件。
圖4電路工作原理如下：利用電流互感器T2監(jiān)視負載電流IL，IL在通過互感器初級時，把電流的變化耦合到次級，在電阻R1上產(chǎn)生壓降。二極管D3對脈 沖電流進行整流，經(jīng)整流后由電阻R2和電容C1進行平滑濾波。當發(fā)生過載現(xiàn)象時，電容器C1兩端電壓迅速增加，使齊納管D4導通，驅(qū)動晶體管 S1導通，S1集電極的信號可以用來作為電源變換器調(diào)節(jié)電路的驅(qū)動信號。
圖4 無功耗限流電路
電流互感器可以用鐵氧體磁芯或MPP環(huán)型磁芯來繞制，但要經(jīng)過反復實驗，以確保磁芯不飽和。理想的電流互感器應該達到匝數(shù)比是電流比。通常互感器的Np=1，Ns=NpIpR1/（Vs＋VD3）。具體繞制數(shù)據(jù)最后還要經(jīng)過實驗調(diào)整，使其性能達到最佳狀態(tài)。
1.4 用555做限流電路
圖5為555集成時基電路的基本框圖。
圖5 555集成時基電路的基本框圖
555集成時基電路是一種新穎的、多用途的模擬集成電路，有LM555，RCA555，5G1555等，其基本性能都是相同的，用它組成的延時電路、單穩(wěn)態(tài)振蕩器、多諧振蕩器及各種脈沖調(diào)制電路，用途十分廣泛，也可用于直接變換器的控制電路。
555時基電路由分壓器R1、R2、R3，兩個比較器，R-S觸發(fā)器以及兩個晶體管等組成，電路在5～18V范圍內(nèi)均能工作。分壓器提供偏壓給比較器1 的反相輸入端，電壓為2Vcc/3，提供給比較器2的同相輸入端電壓為Vcc/3，比較器的另兩個輸入端腳2、腳6分別為觸發(fā)和門限，比較器輸出控制R- S觸發(fā)器，觸發(fā)器輸出供給輸出級以及晶體管V1的基極。當觸發(fā)器輸出置高時，V1導通，接通腳7的放電電路；當觸發(fā)器輸出為低時，V1截止，輸出級提供一 個低的輸出阻抗，并且將觸發(fā)器輸出脈沖反相。當觸發(fā)器輸出置高時，腳3輸出的電壓為低電平，觸發(fā)器輸出為低時，腳3輸出的電壓為高電平。輸出級能夠提供的 最大電流為200mA，晶體管V2是PNP管，它的發(fā)射極接內(nèi)部基準電壓Vr，Vr的取值總是小于電源電壓Vcc，因此，若將V2的基極（腳4 復位）接到Vcc上，V2的基—射極為反偏，晶體管V2截止。
圖6為用555做限流保護的電路，其工作原理如下：UC384X與S1及T1組成一個基本的PWM變換器電路。UC384X系列控制IC有兩個閉環(huán)控制回路，一個是輸出電壓Vo反饋至誤差放大器，用于同基準電壓Vref比較之后產(chǎn)生誤差電壓（為了防止誤差放大器的自激現(xiàn)象產(chǎn)生，直接把腳2對地短接）；另一個是變壓器初級電感中的電流在T2次級檢測到的電流值在R8及C7上的電壓，與誤差電壓進行比較后產(chǎn)生調(diào)制脈沖的脈沖信號。當然，這些均在時鐘所設定的固定頻率下工作。UC384X具有良好的線性調(diào)整率，能達到0.01％/V；可明顯地改善負載調(diào)整率；使誤差放大器的外電路補償網(wǎng)絡得 到簡化，穩(wěn)定度提高并改善了頻響，具有更大的增益帶寬乘積。UC384X有兩種關(guān)閉技術(shù)；一是將腳3電壓升高超過1V，引起過流保護開關(guān)關(guān)閉電路輸出；二 是將腳1 電壓降到1V以下，使PWM比較器輸出高電平，PWM鎖存器復位，關(guān)閉輸出，直到下一個時鐘脈沖的到來，將PWM鎖存器置位，電路才能重新啟動。電流互感 器T2監(jiān)視著T1的尖峰電流值，當發(fā)生過載時，T1的尖峰電流迅速上升，使T2的次級電流上升，經(jīng)D1整流，R9及C7平滑濾波，送到IC1的腳3，使 IC1的腳1電平下降（注意：接IC1腳1的R3，C4必須接成開環(huán)模式，如接成閉環(huán)模式則過流時555的腳7放電端無法放電）。IC1的腳1與IC2的 腳6相連接，使IC2的比較器1同相輸入端的電壓降低，觸發(fā)器Q輸出高電平，V1導通，IC2的腳7放電，使IC1的腳1電平被拉低于1V，則IC1輸出 關(guān)閉，S1因無柵極驅(qū)動信號而關(guān)閉，使電路得到保護。若過流不消除，則重復上述過程，IC1重新進入啟動、關(guān)閉、再啟動、再關(guān)閉的循環(huán)狀態(tài)，即“打嗝”現(xiàn) 象。而且，過負載期間，重復進行著啟振與停振，但停振時間長，啟振時間短，因此電源不會過熱，這種過負載保護稱為周期保護方式（當輸入端輸入電壓變化范圍 較大時，仍可使高、低端的過流保護點基本相同）。其振蕩周期由555單穩(wěn)多諧振蕩器的RC時間常數(shù)τ決定，本例中τ=R1C1，直到過載現(xiàn)象消失，電路才 可恢復正常工作。電流互感器T2的選擇同1.3的互感器計算方法。
圖6 用555做限流保護電路
圖6電路，可以用在單端反激式或單端正激式變換器中，也可用在半橋式、全橋式或推挽式電路中，只要IC1有反饋控制端及基準電壓端即可，當發(fā)生過流現(xiàn)象時，用555電路的單穩(wěn)態(tài)特性使電路工作在“打嗝”狀態(tài)下。
1.5 幾種過流保護方式的比較
幾種過流保護方式的比較如表1所列。
表1 幾種過流保護方式的比較
2 結(jié)語
作者經(jīng)過長期的研發(fā)與生產(chǎn)，比較了開關(guān)電源中所使用的各種過流保護方法，可以說，幾乎沒有一種過流保護方式是萬能的，只有用555的保護方式性能價格比 是較好的。一般來說，選擇何種過流保護方式，都要結(jié)合具體的電路變換模式而做出相應的選擇。只有經(jīng)過認真的分析，大量的實驗才能找到最適合的過流保護方 式。保護方式設計的合理、有效，意味著產(chǎn)品的可靠性才可能更高。（互聯(lián)網(wǎng)）
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