过欠电压保护

1、设计背景

随着现在电气设备的普及，给工农业生产、国防事业、科技带来了革命性的变化，加快了社会的发展，人们步入了电气化时代，人们的生活质量得到了大幅度的提高，人们也越来越离不开这些电器设备。而电子产品越来越多，越来越精密，要在相对稳定的电压电流下工作，使用寿命才不会缩短。目前我国的电网正在普及，庞大的电网系统给了我们许多方便，但是随着接入电网的用户增多和用户电器的多样化，也造成了设电网电压的不稳定，经常产生浪涌电流，还有不可预料的过压以及欠压状况对用户电器造成极大的危害，为了避免这些问题就需要研究如何在电压变化较大时保护好用电设备，此次设计“过压与欠压自动保护电路”也由此孕育而生。

过电压：电力系统在特定条件下所出现的超过工作电压的异常电压升高。属于电力系统中的一种电磁扰动现象。电工设备的绝缘长期耐受着工作电压，同时还必须能够承受一定幅度的过电压，这样才能保证电力系统安全可靠地运行。研究各种过电压的起因，预测其幅值，并采取措施加以限制，是确定电力系统绝缘配合的前提，对于电工设备制造和电力系统运行都具有重要意义。过电压分外过电压和内过电压两大类。外过电压：又称雷电过电压、大气过电压。是由于大气中的雷云对地面放电而引起的。分直击雷过电压和感应雷过电压两种。雷电过电压的持续时间约为几十微秒，具有脉冲的特性，故常称为雷电冲击波。直击雷过电压是雷闪直接击中电工设备导电部分时所出现的过电压。雷闪击中带电的导体，如架空输电线路导线，称为直接雷击。雷闪击中正常情况下处于接地状态的导体，如输电线路铁塔，使其电位升高以后又对带电的导体放电称为反击。直击雷过电压幅值可达上百万伏，会破坏电工设施绝缘，引起短路接地故障。感应雷过电压是雷闪击中电工设备附近地面，在放电过程中由于空间电磁场的急剧变化而使未直接遭受雷击的电工设备（包括二次设备、通信设备）上感应出的过电压。因此，架空输电线路需架设避雷线和接地装置等进行防护。通常用线路耐雷水平和雷击跳闸率表示输电线路的防雷能力。内过电压：电力系统内部运行方式发生改变而引起的过电压。有暂态过电压、操作过电压和谐振过电压。暂态过电压是由于断路器操作或发生短路故障，使电力系统经历过渡过程以后重新达到某种暂时稳定的情况下所出现的过电压，又称工频电压升高。常见的有：①空载长线电

容效应（费兰梯效应）。在工频电源作用下，由于远距离空载线路电容效应的积累，使沿线电压分布不等，末端电压最高。②不对称短路接地。三相输电线路a 相短路接地故障时，b、c相上的电压会升高。③甩负荷过电压，输电线路因发生故障而被迫突然甩掉负荷时，由于电源电动势尚未及时自动调节而引起的过电压。操作过电压是由于进行断路器操作或发生突然短路而引起的衰减较快持续时间较短的过电压，常见的有：①空载线路合闸和重合闸过电压。②切除空载线路过电压。③切断空载变压器过电压。④弧光接地过电压。谐振过电压是电力系统中电感、电容等储能元件在某些接线方式下与电源频率发生谐振所造成的过电压。一般按起因分为：①线性谐振过电压。②铁磁谐振过电压。③参量谐振过电压。

欠电压：过电压是电力系统在特定条件下所出现的低于工作电压的异常电压降低，工频下交流电压均方根值降低，小于额定值的10%，并且持续时间大与1分钟的长时间电压变动现象；引起欠电压的事件正好与过电压相反，某一大容量负荷的投入或某一电容器组的断开（无功严重不足引起的欠电压）都可能引起欠电压。

2、课程设计（论文）目的、任务和要求

本课题要求设计一过/欠电压保护提示电路，使学生对模拟电子技术理论知识在生产实际中的应用有一个初步的认识。加深学生对所学的理论知识与实际的应用的结合。通过设计，全面提高学生分析、判断、解决问题的能力。使学生对所学知识的应用能力、查询资料能力及书写报告能力，有一个较大的提高，为毕业设计打下一定的基础。

（1）要求的设计成果（课程设计说明书、论文、设计实物、软件等）

1.设计一过/欠电压保护提示电路。

2.对给定的电路原理框图进行原理图设计，分单元进行设计。对电路参数进行必要的计算，选择元器件参数。

3.画出完整的电路原理图。要的计算，选择元器件参数。

4.条件许可时，对设计的电路进行仿真验证。

（2）设计要求：

1．设计一个过欠电压保护电路，当电网交流电压大于250V或小于180V时，经3～4s本装置将切断用电设备的交流供电，并用LED发光警示。

2.在电网交流电压恢复正常后，经本装置延时3～5分钟后恢复用电设备的交流供电。

3.每一位学生对设计内容都应根据自己所学知识、水平及能力独立完成，不得有雷同。

4.写出完整的设计报告。

（3）进程安排

设计时间为一周，具体时间安排如下：

第1～2天熟悉资料进行元器件的查询。

第3～4天进行电路的原理分析及设计、写出报告。

第5天交报告，进行答辩。

3、设计整体思路

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电源电路通过变压器把高电压降为低电压，通过整流器整流，通过电容滤波把交流电变为直流电，直流电通过比较电路判断电压是否大于250V或者小于180V，比较后的结果经过报警电路大于250V或者小于180V显示红色报警，在250V到180 V之间显示绿色。红色出现3-4s电源断电，在电网交流电压恢复正常后，经本装置延时3～5分钟后恢复用电设备的交流供电。

4、各部分电路

（1）电源电路

图1：电源电路

单相桥式整流电路

桥式整流电路是使用最多的一种全波整流电路。这种电路，只要增加两只二极管连电源电路比较电路报警电路计时电路开关

接成“桥”式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。桥式整流电路的基本原理就是利用二极管的单向导电性，将交流电变成一个方向流动的电流。让交流电流的正半周到来时顺利通过二极管（正向导通），当交流电流的负半周到来时（方向与正半周相反）二极管反向截止，则不能通过，如此循环，就形成一个方向的电流。桥式整流电路的工作原理如下整流电路在工作时，电路中的四只二极管都是作为开关运用，根据图2-1的电路图可知：当正半周时，对D1、D3加正向电压，二极管D1、D3导通D2、D4截止在负载电阻上得到正弦波的正半周；当负半周时，对D2、D4加反向电压，二极管D2、D4导通（D1、D3截止），在负载电阻上得到正弦波的负半周。但是无论在正半周期还是负半周期，流过RL中的电流方向都是一致的在整个周内，四只二极管轮流导通或截止，在负载上得到了单一方向的脉动直流电压和电流。

电容器的额定耐压值

滤波电容器型号选定应查阅有关器件手册，并取电容的系列标称值。由于变压器的输出电压波动会很大，所以选择容量较大的22uf的铝电解电容，额定耐压值为10000。

稳压电路

由于输入电压、负载、环境温度、电路参数等的不稳定性，往往电路因为这样而不能正常的工作，为了使电路正常工作就需要稳压电路为电路提供一个稳定的输出电压，此次设计所采用的稳压电路核心元件为稳压二极管。

稳压二极管

二极管稳压电路根据稳压二极管的特性可以在U端得到稳定的电压，即是稳压二极管的反向击穿电压，这样即可作为电路的中的稳压器使用。

（2）比较电路

图2：比较电路