电冰箱保护器优选材料.docx

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电冰箱保护器优选材料

第1章绪论

1.1课题背景

说到家用电器，让我们不难想到电冰箱。

但是，从我国目前的供电情况来看，电网设备还不够完善，供电电压不太稳定，电压波动值可能超出电冰箱的允许范围（我国规定供电电压稳定度应该在正负百分之十），而且局部断电又时有发生，根据以上种种原因就应运而生了电冰箱的自动保护器。

电冰箱易损坏或寿命短是困扰人们的一个问题。

究其原因，供电电压波动、瞬时断电是电冰箱损坏或寿命缩短的主要原因之一。

而对于绝大多数家用电冰箱来说，瞬时断电与电压波动几乎是不可避免的。

为此，我们利用变压器，再配以控制电路设计了一种自动稳压、自动延时的电冰箱保护器，该多功能电冰箱保护器能够根据负载电流判断线路中的各种故障,并及时进行保护，最大限度的降低对人们日常生活的影响，是一种经济实用的电冰箱保护器。

1.2课题的目的和意义

电冰箱的驱动电机在一定的电压范围内才能正常工作，供电电压过高或过低很容易导致绕组线圈烧毁；另外，当电冰箱正在工作时突然断电而又立即通电时，电冰箱的压缩机所承受的启动电流要比正常启动电流大好几倍，导致压缩泵内压力很高，使驱动电机负荷过载，也容易烧毁电机。

从目前我国供电情况来看，供电电压还不够稳定，而且局不断电时有发生，所以电冰箱保护器具有重要的使用价值。

电动机保护器不仅能保证电冰箱的稳定工作，而且在工农业正常生产，提高生产效率和经济效益和在节能事业中也有着重要意义。

1.3设计任务与要求

1.3.1设计任务

传统人们在用电时会因技术故障、人为故障、设备老化、质量低劣、自然灾害等引起的电压过高过低、停电再来电而烧毁电器，甚至因此发生火灾的问题，造成了人身的危害和资金的浪费。

为了避免上述危险的发生，我们应该给电冰箱配备一个冰箱保护器。

该保护器的功能是：

当电网电压过压或欠压情况下，使家用电器的供电系统停止供电，当电网电压恢复正常后使家用电器自动恢复供电；当家电正在工作时，一旦电源断电而又立即供电时，本设计要使家用电器必须断电3～5min后才能恢复供电。

本保护器的设计需要考虑下面几个方面的问题:

（1）合适性由于保护器的种类繁多，加之不同厂家生产的电机也有差别。

因此，能型电动机综合保护器应该有较好的适应性，即通过简单方便的设置就可使保护器不同的保护特性的要求。

（2）正确性为了充分发挥电机自身的过载能力，同时还要对电机进行有效保护。

要求保护器的动作要准确。

不准确的动作或造成电机的损坏，或不能充分发挥的过载能力，造成不必要的跳闸断电，影响生产。

（3）保障性这一方面要求保护器在无故障时不能产生误动作，而在故障发生不能拒绝动作，特别是在过压、欠压和突然断电时。

要在规定的时间内，准确、可靠地完成规定的保护功能，并且，设计的合理性以及制造时的工艺保证是非常重要的。

1.3.2本课题研究的技术要求

1、当电网电压≥280V或≤180V时，能自动切断电源；

2、当电网电压恢复正常后3到5分钟自动接通电源。

第2章方案选择

根据设计任务及要求，所设计的电冰箱自保护器的基本思想为：

电网电压在正常范围时，保护器不影响电冰箱的正常工作，而一旦电网电压≥280V或≤180V时，保护器应立即切断用电器电源。

正在工作的电冰箱一旦断电又恢复供电时，保护器应延时3～5min后再给电冰箱接通电源。

不论是保护器立即断电还是延时通电，都需要由继电器触电开关去控制驱动电机，显然该保护器还应设有驱动继电器线圈的驱动电路。

本设计的总体结构框图主要部分，包括LM339的两个比较器和RP2、RP3等组成过电压、欠电压检测电路，其中L1A比较器用于过电压检测，L1C比较器用于欠电压检测；VT1构成电子开关，其中LED为电压指示灯，当电压在市电正常范围内（180V—280V），该灯发亮，否则会熄灭；NE555时基电路组成延迟记忆电路，组成框图如图2-1所示。

图2-1系统总体框图

第3章单元电路的设计

3.1电源部分

接通电源后，220V交流电经变压器的降压、整流桥的整流、稳压器7812的稳压后，用电压表可测得约12V直流工作电压，电源图如图3-1所示。

图3-1电源图

3.2比较器

本设计采用内部具有四个比较器的集成块LM339，该电压比较器的特点是：

1.失调电压小，典型值为2mV。

2.电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V。

3.对比较信号源的内阻限制较宽。

4.共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo。

5.差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压。

6.输出端电位可灵活方便地选用。

LM339集成块采用C-14型封装，。

由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。

图3-2LM339的引脚图

LM339类似于增益不可调的运算放大器，每个比较器有两个输入端和一个输出端。

两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。

用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。

当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。

当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。

两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。

LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。

选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。

因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。

另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。

本设计电路由两个LM339组成一个窗口比较器。

当被比较的信号电压Uin位于门限电压之间时（UR1

当Uin不在门限电位范围之间时，（Uin>UR2或Uin

它可用来判断输入信号电位是否位于指定门限电位之间。

双限比较器及波形图如图3-3所示：

图3-3双限比较器及波形图

双限比较器仿真图如图3-4所示：

图3-4双限比较器仿真图

3.3控制电路（555定时器）

本设计采用NE555集成块作为控制电路，NE555为8脚时基集成电路，各脚主要功能如表3-1所示。

NE555引脚功能表

引脚

引脚功能

引脚

引脚功能

1脚

接地GND

5脚

控制电压

2脚

触发

6脚

门限（阈值）

3脚

输出

7脚

放电

4脚

复位

8脚

电源电压Vcc、

表3-1

NE555集成块引脚图如图3-5所示：

图3-5NE555集成块引脚图

本设计选用双稳类电路，用NE555构成一个施密特触发器，施密特触发器图如图3-6所示。

图3-6施密特触发器

3.4继电器

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。

故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

第4章设计电路工作原理及参数计算

4.1电路的工作原理

本设计电路的工作原理：

接通电源后，220V交流电经变压器的降压、整流桥的整流、稳压器7812的稳压后，在RP2和RP3两端可获得约12V直流工作电压。

根据变压器的变压系数，调整电位器RP2和RP3，使市电电压在正常范围内，上、下比较器都输出高电平，此时VT1导通，电压指示灯LED保持发亮。

因为C1两端初始电压为0V，555时基电路的阈值端6脚为高电平，555时基电路复位，三极管VT2截止，继电器K1的常闭触点保持吸合，电冰箱电源被切断。

然后电源向C1充电，使2、6两脚电位不断下降，约经过5min，可使电位降至12V电压的1/3，555时基电路才置位，3脚输出高电平，VT2导通，继电器K1通电吸合，其常闭合触点K-1断开，电冰箱通电工作。

当交流电网意外断电时，C1储存电荷通过R2、D5迅速泄放，当电网恢复供电时，电路又要延迟5min左右才向电冰箱供电，从而确保电冰箱压缩机不受损坏。

当市电电压升高到280V以上，上比较器输出低电平；市电电压下降到180V以下，下比较器输出低电平只要两者之一输出低电平，VT1截止，LED熄灭。

此时6脚为高电平，555时基电路复复位，输出端3脚为低电平，电冰箱电源被切断，从而使电冰箱在电压过高或过低的情况下自动停止工作，保证了电冰箱能安全工作于规定的电源范围内。

当电压恢复正常时，电路要延迟5min左右才向电冰箱供电。

4.2电路元件参数的选择计算

设变压器的变压系数是20：

1，整流后的输出电压u3≈1.2×u2,当u1分别为220V、

180V、280V时，u2、u3、Va的计算如下：

u1=220Vu2=220÷20=11Vu3=1.2×11=13.2V则,Va=6.6V

u1=280Vu2=280÷20=14Vu3=1.2×14=16.8V则,Va=8.4V

u1=180Vu2=180÷20=9Vu3=1.2×9=10.8V则,Va=5.4V

因此可得，比较器的上限电压为8.4V,下限电压为5.4V。

调节电位器RP2和RP3，使LM339的5脚电压为8.4V，8脚电压为5.4V，使电路在280V≤u1≤180V范围能正常工作。

电网由断电到恢复供电后，电冰箱要延迟一段时间才能正常工作，此延时时间τ由NE555的外围电路C1和R3决定：

τ≈1.1×R3×C1

电路要求延时5分钟（即300秒），设C1=220μF,则R3的阻值计算如下：

R3=300÷（1.1×220×0.000001）≈1.2MΩ

4.3电路整机电路图

本设计的整机电路图如图4-1所示：

图4-1设计整机电路图

第5章仿真调试过程及结果分析

5.1仿真的预期结果

①当输入电压由0跳到正常电压的范围内,此时,D1（绿色）发光,D2（绿色,负载）仍不工作,大约经过5min的时间才开始工作（发光）,D3（红色）则与D2相反;

②当输入电压在范围外恢复到正常电压范围内时,工作情况与①相同;

③当输入电压在正常范围内跳到电压范围外,D1,D2立即熄灭,D3发光,说明负载停止工作;

④当输入电压在正常范围内突然停电,所有的发光二极管都熄灭.

5.2电路的仿真

在Protel99SE软件中对其放真，仿真图如下：

图5-1Protel99SE仿真图

1）设置电源电压U1为50V，输出OUT1、OUT2值加的电压差几乎为0V；

2）设置电源电压U1为100V，输出OUT1、OUT2值加的电压差几乎为0V；

3）设置电源电压U1为170V，输出OUT1、OUT2值加的电压差几乎为0V；

4）设置电源电压U1为200V，输出OUT1、OUT2值加的电压差约为10V；

5）设置电源电压U1为220V，输出OUT1、OUT2值加的电压差约为10V；

6）设置电源电压U1为240V，输出OUT1、OUT2值加的电压差约为10V；

7）设置电源电压U1为280V，输出OUT1、OUT2值加的电压差几乎为0V；

8）设置电源电压U1为300V，输出OUT1、OUT2值加的电压差几乎为0V；

9）设置电源电压U1为350V，输出OUT1、OUT2值加的电压差几乎为0V；

从上图的仿真结果中看出该电冰箱保护器性能良好，输入电压U1取任何值，输出OUT1、OUT2值加的电压差都浮动不大，在过压、欠压的情况下能很好的保护电冰箱，从而使之在无人监控情况下正常工作。

与此同时实现了上电的延迟从而更好的保护了电冰箱。

5.3总结

通过这次课程设计，我复习了对Protel99SE软件，但有部分知识不太清楚，于是我又不得不边学边用，时刻巩固所学知识，这也是我作本次课程设计的第一大收获。

通过查资料，我们对电冰箱保护器这一器件有了深刻的了解，把理论应用到了实践当中。

整个设计我基本上还满意，由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。

参考文献

[1].任国燕《模拟电子技术实验指导书》重庆科技学院.2008年11月。

[2].康华光《模拟电子技术基础》北京高等教育出版社.2006年12月。

[3].陈有卿《实用555时基电路300例》中国电力出版社.2005月。

[4].庄俊华，何伟良,张俊红《Multisim9入门及应用》机械工业出版社.2008年3月。

[5].邓元庆，贾鹏《数字电路与系统设计》西安电子科技大学出版.2008年5月。

附录电冰箱保护器元器件清单

元器件名称

元器件符号

元器件标称值

元器件型号

元件数量

变压器

T

12v

DB-I-28

1

二极管

D4、D5

IN4001

2

IN4001×4

IN4001

4

三极管

VT1、VT2

9013

NPN

2

电容器

C2

0.01uF

1

C3、C5

0.1uF

2

C1、C6

220uF

BF

2

C4

47uF

1

电阻

R1、R5、R6

10KΩ

RT

3

R2、R4

4.7KΩ

2

R3

1.2MΩ

1

R7、R8

1KΩ

2

滑动变阻器

RP1、RP2、RP3

50KΩ

RT

3

芯片

LIA、LIC

LM339

2

N1

NE555

1

7812

7812

1

发光二极管

LED1、LED2、LED3

3

继电器

K1

12v

SMI－12VDC－SL－A

1

总计

34