電冰箱保護(hù)器

1、第1章 緒論1.1 課題背景說到家用電器，讓我們不難想到電冰箱。但是，從我國目前的供電情況來看，電網(wǎng)設(shè)備還不夠完善，供電電壓不太穩(wěn)定，電壓波動值可能超出電冰箱的允許范圍（我國規(guī)定供電電壓穩(wěn)定度應(yīng)該在正負(fù)百分之十），而且局部斷電又時(shí)有發(fā)生，根據(jù)以上種種原因就應(yīng)運(yùn)而生了電冰箱的自動保護(hù)器。電冰箱易損壞或壽命短是困擾人們的一個(gè)問題。究其原因，供電電壓波動、瞬時(shí)斷電是電冰箱損壞或壽命縮短的主要原因之一。而對于絕大多數(shù)家用電冰箱來說，瞬時(shí)斷電與電壓波動幾乎是不可避免的。為此，我們利用變壓器，再配以控制電路設(shè)計(jì)了一種自動穩(wěn)壓、自動延時(shí)的電冰箱保護(hù)器，該多功能電冰箱保護(hù)器能夠根據(jù)負(fù)載電流判斷線路中的各種故障

2、,并及時(shí)進(jìn)行保護(hù)，最大限度的降低對人們?nèi)粘Ｉ畹挠绊?，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的電冰箱保護(hù)器。1.2 課題的目的和意義電冰箱的驅(qū)動電機(jī)在一定的電壓范圍內(nèi)才能正常工作，供電電壓過高或過低很容易導(dǎo)致繞組線圈燒毀；另外，當(dāng)電冰箱正在工作時(shí)突然斷電而又立即通電時(shí)，電冰箱的壓縮機(jī)所承受的啟動電流要比正常啟動電流大好幾倍，導(dǎo)致壓縮泵內(nèi)壓力很高，使驅(qū)動電機(jī)負(fù)荷過載，也容易燒毀電機(jī)。從目前我國供電情況來看，供電電壓還不夠穩(wěn)定，而且局不斷電時(shí)有發(fā)生，所以電冰箱保護(hù)器具有重要的使用價(jià)值。電動機(jī)保護(hù)器不僅能保證電冰箱的穩(wěn)定工作，而且在工農(nóng)業(yè)正常生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益和在節(jié)能事業(yè)中也有著重要意義。1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

3、1.3.1 設(shè)計(jì)任務(wù)傳統(tǒng)人們在用電時(shí)會因技術(shù)故障、人為故障、設(shè)備老化、質(zhì)量低劣、自然災(zāi)害等引起的電壓過高過低、停電再來電而燒毀電器，甚至因此發(fā)生火災(zāi)的問題，造成了人身的危害和資金的浪費(fèi)。為了避免上述危險(xiǎn)的發(fā)生，我們應(yīng)該給電冰箱配備一個(gè)冰箱保護(hù)器。該保護(hù)器的功能是：當(dāng)電網(wǎng)電壓過壓或欠壓情況下，使家用電器的供電系統(tǒng)停止供電，當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后使家用電器自動恢復(fù)供電；當(dāng)家電正在工作時(shí)，一旦電源斷電而又立即供電時(shí)，本設(shè)計(jì)要使家用電器必須斷電35min后才能恢復(fù)供電。本保護(hù)器的設(shè)計(jì)需要考慮下面幾個(gè)方面的問題:(1)合適性 由于保護(hù)器的種類繁多，加之不同廠家生產(chǎn)的電機(jī)也有差別。因此，能型電動機(jī)綜合保護(hù)器

4、應(yīng)該有較好的適應(yīng)性，即通過簡單方便的設(shè)置就可使保護(hù)器不同的保護(hù)特性的要求。(2)正確性 為了充分發(fā)揮電機(jī)自身的過載能力，同時(shí)還要對電機(jī)進(jìn)行有效保護(hù)。要求保護(hù)器的動作要準(zhǔn)確。不準(zhǔn)確的動作或造成電機(jī)的損壞，或不能充分發(fā)揮的過載能力，造成不必要的跳閘斷電，影響生產(chǎn)。(3)保障性 這一方面要求保護(hù)器在無故障時(shí)不能產(chǎn)生誤動作，而在故障發(fā)生不能拒絕動作，特別是在過壓、欠壓和突然斷電時(shí)。要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，準(zhǔn)確、可靠地完成規(guī)定的保護(hù)功能，并且，設(shè)計(jì)的合理性以及制造時(shí)的工藝保證是非常重要的。 1.3.2 本課題研究的技術(shù)要求 1、當(dāng)電網(wǎng)電壓280V或180V時(shí)，能自動切斷電源； 2、當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后3到5分

5、鐘自動接通電源。第2章 方案選擇根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)及要求，所設(shè)計(jì)的電冰箱自保護(hù)器的基本思想為：電網(wǎng)電壓在正常范圍時(shí)，保護(hù)器不影響電冰箱的正常工作，而一旦電網(wǎng)電壓280V或180V時(shí)，保護(hù)器應(yīng)立即切斷用電器電源。正在工作的電冰箱一旦斷電又恢復(fù)供電時(shí)，保護(hù)器應(yīng)延時(shí)35min后再給電冰箱接通電源。不論是保護(hù)器立即斷電還是延時(shí)通電，都需要由繼電器觸電開關(guān)去控制驅(qū)動電機(jī)，顯然該保護(hù)器還應(yīng)設(shè)有驅(qū)動繼電器線圈的驅(qū)動電路。本設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)框圖主要部分，包括LM339 的兩個(gè)比較器和RP2、RP3 等組成過電壓、欠電壓檢測電路，其中L1A 比較器用于過電壓檢測，L1C 比較器用于欠電壓檢測；VT1 構(gòu)成電子開關(guān)，其中

6、LED 為電壓指示燈，當(dāng)電壓在市電正常范圍內(nèi)（180V280V），該燈發(fā)亮，否則會熄滅；NE555 時(shí)基電路組成延遲記憶電路，組成框圖如圖2-1所示。 圖2-1 系統(tǒng)總體框圖第3章 單元電路的設(shè)計(jì)3.1電源部分接通電源后，220V 交流電經(jīng)變壓器的降壓、整流橋的整流、穩(wěn)壓器7812 的穩(wěn)壓后，用電壓表可測得約12V直流工作電壓，電源圖如圖3-1所示。圖3-1 電源圖3.2 比較器本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部具有四個(gè)比較器的集成塊LM339，該電壓比較器的特點(diǎn)是：1.失調(diào)電壓小，典型值為2mV。2.電源電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為±1V-±18V。3.對比較信號源的內(nèi)阻限制

7、較寬。4.共模范圍很大，為0（Ucc-1.5V）Vo。5.差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓。6.輸出端電位可靈活方便地選用。LM339集成塊采用C-14型封裝，。由于LM339使用靈活，應(yīng)用廣泛，所以世界上各大IC生產(chǎn)廠、公司竟相推出自己的四比較器，如IR2339、ANI339、SF339等，它們的參數(shù)基本一致，可互換使用。圖3-2 LM339的引腳圖LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器，每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可

8、選擇LM339輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個(gè)待比較的信號電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在

9、一起使用。本設(shè)計(jì)電路由兩個(gè)LM339組成一個(gè)窗口比較器。當(dāng)被比較的信號電壓Uin位于門限電壓之間時(shí)（UR1<Uin<UR2），輸出為高電位（UO=UOH）。當(dāng)Uin不在門限電位范圍之間時(shí)，（Uin>UR2 或Uin<UR1）輸出為低電位（UO=UOL），窗口電壓U=UR2-UR1。它可用來判斷輸入信號電位是否位于指定門限電位之間。雙限比較器及波形圖如圖3-3所示：圖3-3 雙限比較器及波形圖 雙限比較器仿真圖如圖3-4所示：圖3-4雙限比較器仿真圖3.3 控制電路（555定時(shí)器）本設(shè)計(jì)采用NE555集成塊作為控制電路，NE555為8腳時(shí)基集成電路，各腳主要功能如表3-1

10、所示。 NE555引腳功能表引腳引腳功能引腳引腳功能1腳接地GND5腳控制電壓 2腳觸發(fā)6腳門限(閾值)3腳輸出7腳放電4腳復(fù)位8腳電源電壓Vcc、 表 3-1 NE555集成塊引腳圖如圖3-5所示：圖3-5 NE555集成塊引腳圖本設(shè)計(jì)選用雙穩(wěn)類電路，用NE555構(gòu)成一個(gè)施密特觸發(fā)器，施密特觸發(fā)器圖如圖3-6所示。圖3-6 施密特觸發(fā)器3.4繼電器繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。第4章 設(shè)計(jì)電路工作原理及參數(shù)

11、計(jì)算4.1電路的工作原理本設(shè)計(jì)電路的工作原理：接通電源后，220V 交流電經(jīng)變壓器的降壓、整流橋的整流、穩(wěn)壓器7812 的穩(wěn)壓后，在RP2 和RP3 兩端可獲得約12V直流工作電壓。根據(jù)變壓器的變壓系數(shù)，調(diào)整電位器RP2 和RP3，使市電電壓在正常范圍內(nèi)，上、下比較器都輸出高電平，此時(shí)VT1 導(dǎo)通，電壓指示燈LED 保持發(fā)亮。因?yàn)镃1兩端初始電壓為0V，555 時(shí)基電路的閾值端6 腳為高電平，555 時(shí)基電路復(fù)位，三極管VT2 截止，繼電器K1的常閉觸點(diǎn)保持吸合，電冰箱電源被切斷。然后電源向C1 充電，使2、6 兩腳電位不斷下降，約經(jīng)過5min，可使電位降至12V電壓的1/3，555 時(shí)基電路

12、才置位，3 腳輸出高電平，VT2 導(dǎo)通，繼電器K1通電吸合，其常閉合觸點(diǎn)K-1斷開，電冰箱通電工作。當(dāng)交流電網(wǎng)意外斷電時(shí)，C1 儲存電荷通過R2、D5 迅速泄放，當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)，電路又要延遲5min 左右才向電冰箱供電，從而確保電冰箱壓縮機(jī)不受損壞。當(dāng)市電電壓升高到280V以上，上比較器輸出低電平；市電電壓下降到180V以下，下比較器輸出低電平只要兩者之一輸出低電平，VT1截止，LED 熄滅。此時(shí)6 腳為高電平，555 時(shí)基電路復(fù)復(fù)位，輸出端3 腳為低電平，電冰箱電源被切斷，從而使電冰箱在電壓過高或過低的情況下自動停止工作，保證了電冰箱能安全工作于規(guī)定的電源范圍內(nèi)。當(dāng)電壓恢復(fù)正常時(shí)，電路要延

13、遲5min左右才向電冰箱供電。4.2 電路元件參數(shù)的選擇計(jì)算設(shè)變壓器的變壓系數(shù)是20：1，整流后的輸出電壓u31.2×u2, 當(dāng)u1分別為220V、180V、280V時(shí)，u2、u3、Va 的計(jì)算如下：u1=220V u2=220÷20=11V u3=1.2×11=13.2V 則,Va=6.6Vu1=280V u2=280÷20=14V u3=1.2×14 =16.8V 則,Va=8.4Vu1=180V u2=180÷20=9V u3=1.2×9 =10.8V 則,Va=5.4V因此可得，比較器的上限電壓為8.4V,下限電壓為

14、5.4V。調(diào)節(jié)電位器RP2和RP3，使LM339 的5 腳電壓為8.4V，8腳電壓為5.4V，使電路在280Vu1180V范圍能正常工作。電網(wǎng)由斷電到恢復(fù)供電后，電冰箱要延遲一段時(shí)間才能正常工作，此延時(shí)時(shí)間由NE555 的外圍電路C1和 R3 決定： 1.1×R3×C1電路要求延時(shí)5 分鐘（即300秒），設(shè)C1=220F,則R3 的阻值計(jì)算如下：R3 = 300 ÷ ( 1.1×220×0.000001) 1.2 M4.3電路整機(jī)電路圖本設(shè)計(jì)的整機(jī)電路圖如圖4-1所示：圖4-1 設(shè)計(jì)整機(jī)電路圖第5章 仿真調(diào)試過程及結(jié)果分析5.1 仿真的預(yù)期結(jié)果

15、當(dāng)輸入電壓由0跳到正常電壓的范圍內(nèi),此時(shí),D1(綠色)發(fā)光,D2(綠色,負(fù)載)仍不工作,大約經(jīng)過5min的時(shí)間才開始工作(發(fā)光),D3(紅色)則與D2相反; 當(dāng)輸入電壓在范圍外恢復(fù)到正常電壓范圍內(nèi)時(shí),工作情況與相同; 當(dāng)輸入電壓在正常范圍內(nèi)跳到電壓范圍外,D1,D2立即熄滅,D3發(fā)光,說明負(fù)載停止工作; 當(dāng)輸入電壓在正常范圍內(nèi)突然停電,所有的發(fā)光二極管都熄滅. 5.2電路的仿真在Protel 99SE軟件中對其放真，仿真圖如下：圖5-1 Protel 99SE仿真圖1）設(shè)置電源電壓U1為50V，輸出OUT1、OUT2值加的電壓差幾乎為0V；2）設(shè)置電源電壓U1為100V，輸出OUT1、OUT2

16、值加的電壓差幾乎為0V；3）設(shè)置電源電壓U1為170V，輸出OUT1、OUT2值加的電壓差幾乎為0V；4）設(shè)置電源電壓U1為200V，輸出OUT1、OUT2值加的電壓差約為10V；5）設(shè)置電源電壓U1為220V，輸出OUT1、OUT2值加的電壓差約為10V；6）設(shè)置電源電壓U1為240V，輸出OUT1、OUT2值加的電壓差約為10V；7）設(shè)置電源電壓U1為280V，輸出OUT1、OUT2值加的電壓差幾乎為0V；8）設(shè)置電源電壓U1為300V，輸出OUT1、OUT2值加的電壓差幾乎為0V；9）設(shè)置電源電壓U1為350V，輸出OUT1、OUT2值加的電壓差幾乎為0V； 從上圖的仿真結(jié)果中看出該電冰

17、箱保護(hù)器性能良好，輸入電壓U1取任何值，輸出OUT1、OUT2值加的電壓差都浮動不大，在過壓、欠壓的情況下能很好的保護(hù)電冰箱，從而使之在無人監(jiān)控情況下正常工作。與此同時(shí)實(shí)現(xiàn)了上電的延遲從而更好的保護(hù)了電冰箱。5.3 總結(jié)通過這次課程設(shè)計(jì)，我復(fù)習(xí)了對Protel 99SE軟件，但有部分知識不太清楚，于是我又不得不邊學(xué)邊用，時(shí)刻鞏固所學(xué)知識，這也是我作本次課程設(shè)計(jì)的第一大收獲。通過查資料，我們對電冰箱保護(hù)器這一器件有了深刻的了解，把理論應(yīng)用到了實(shí)踐當(dāng)中。整個(gè)設(shè)計(jì)我基本上還滿意，由于水平有限，難免會有錯(cuò)誤，還望老師批評指正。參考文獻(xiàn) 1 .任國燕 模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書重慶科技學(xué)院.2008年11月。 2 .康華光 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)北京高等教育出版社.2006年12月。 3 .陳有卿 實(shí)用555 時(shí)基電路300 例 中國電力出版社. 2005月。 4 .莊俊華，何偉良,張俊紅 Multisim 9入門及應(yīng)用 機(jī)械工業(yè)出版社.2008年3月。 5 .鄧元慶，賈鵬 數(shù)字電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì) 西安電子科技大學(xué)出版.2008年5月。附錄 電冰箱保護(hù)器元器件清單