过欠压电冰箱保护器的设计过欠压电冰箱保护器的.doc
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第一章绪论 1
1.1课题的提出依据和意义…………………………
1.2本课题的主要任务和研究内容…………………
1.2.1本课题的主要任务……………………………
1.2.2本课题研究的内容……………………………
第二章压缩机的运行状态分析和保护方案………………
2.1压缩机运行状态分析……………………………
2.1.1过压、欠压运行状态分析……………………
2.1.2断相运行状态分析……………………………
2.2压缩机的保护方案………………………………
第三章电路组成和工作原理………………………………
3.1电压取样鉴别单元………………………………
3.1.1当电网电压在正常范围内时………………
3.1.2当电网电压240V时………………………
3.1.3当电网电压180V时………………………
3.2延时电路……………………………………
第四章电路元器件的选择与计算…………………………
4.1IC的选择………………………………………
4.2与非门的选择…………………………
4.3电压取样单元元件选择…………………………
4.4延时电路元件选择………………………………
4.5驱动单元元器件选择和计算……………………
4.6直流稳压电源元器件的选择和计算……………
总结…………………………………………………………………
附表1：
外购件明细表…………………………………………
过欠压电冰箱保护器的设计
第一章绪论
1.1课题的提出依据和意义
家用电器保护器是发电、供电、用电系统的重要器件。
它是跨行业、量大面广、节能效果显著的节能机电产品。
几乎渗透到所有用电领域，是工业、农业和国防建设及人民生活正常生产和安全工作的重要保证，在国民经济和节能事业中有着不可替代的重要地位和作用。
1.2本课题的主要任务和研究内容
1.2.1本课题的主要任务
电冰箱是一种间歇工作的家庭电器，在接通电源后，其压缩电动机处于启动、运行、终止的反复循环过程。
根据我国家用电冰箱技术标准的规定，电冰箱的电源电压应在175～235v范围内才能保证电冰箱的正常启动和运行。
这是由于电冰箱的压缩机作为电动制冷器具的核心部件,其工作的安全性不仅关系到用户的财产安全,而且关系到用户的人身安全，并且压缩机都是在负载条件下启动的。
启动时要求电动机启动转矩较大，如果在电源电压低于允许的下限值的情况下启动，会因启动转矩不足，造成电动机启动困难，势必迫使电动机的启动电流成倍增长，超过设计的允许的限度。
电冰箱内设的热保护装置对这种瞬间大电流的反应较差，因而极易造成电动机绕组的烧毁。
同理，如果电动机长期在低压条件下工作，绕组的持续过热会加速绝缘介质的老化和变质。
当电源电压过高时，电动机绕组因电流过载也同样会出现发热而破坏绝缘的现象，对压缩机的寿命都是有害的，严重时也会烧毁电动机。
另一方面，在电冰箱的压缩机处于工作状态时，不允许在电源突然中断后的短时间内重新接通电源。
因为压缩机工作时，压缩泵一侧自蒸发器将低压制冷剂蒸发抽出，经过压缩成为高温高压蒸汽，自另一侧送往冷凝器，实现向空间排热。
两侧压力差最大时可达到十一个大气压，压缩机中断运行后，须经一定的时间才能恢复两侧的平衡，最好保持在五分钟左右；倘若压缩机运行中出现断电后又很快接通的情况，由于两侧存在很大的压力差，电动机启动时的负载很大，启动电流较正常值成倍增加，从而带来烧毁电动机的危险。
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，该保护器能够在电网电压过压或欠压情况下，使电冰箱供电系统停止供电，电网电压恢复正常后自动恢复供电；当电冰箱正在工作时，一旦电源中断立即又恢复供电，要使其在5分钟之后才恢复供电。
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。
1.2.2本课题研究的内容
本课题研究的主要内容主要包括以下几个方面：
（1）正确设计电路图，实现对电冰箱过压保护的设计
从目前我国供电情况来看，供电电压还不太稳定。
当电网电压240V时，电动机绕组会因电流过载而出现发热导致破坏绝缘层的现象。
（2）正确设计电路图，实现对电冰箱欠压保护的设计
当电网电压180V时，会因启动转矩不足，造成压缩机启动困难，势必迫使电动机的启动电流成倍增长，超过设计的允许的限度，使压缩机受到损害。
（3）正确设计电路图，实现对电冰箱延时保护的设计
由电冰箱的压缩机的工作原理可知，在电冰箱的压缩机处于工作状态时，不允许在电源突然中断后的短时间内重新接通电源，而应使电冰箱必须经过5分钟后才能恢复供电，才不会影响电冰箱的正常工作和人们的日常生活。
（4）根据画好的工作原理图，设计出相应的PCB图及仿真
PCB图是电路板的映射图纸，它详细描绘了电路板的走线、元件的位置、线路板的尺寸、表面印什么字、底面怎么做铜箔等等，发往PCB厂家加工出来。
第二章压缩机的运行状态分析和保护方案
2.1压缩机运行状态分析
压缩机是冰箱的心脏，一个冰箱制冷质量的好坏主要看压缩机的效果。
压缩机运行中常常会出现不正常的运行状态，这些不正常的运行状态包括:
过压、欠压、断相等，这些异常的运行状态会影响电冰箱的心脏—压缩机的工作状态。
长期在这种状态运行，轻者造成压缩机绝缘老化、寿命降低，重者造成压缩机严重烧毁。
因此，分析电动机的运行状态，找出各种异常情况下的电流特征，是进行压缩机故障判断和有效保护的基础。
2.1.1过压、欠压运行状态分析
电冰箱是一种间歇工作的家庭电器，在接通电源后，其压缩电动机处于启动、运行、终止的反复循环过程。
根据我国家用电冰箱技术标准的规定，电冰箱的电源电压应在175～235v范围内才能保证电冰箱的正常启动和运行。
为什么要对电冰箱的电源条件做出规定呢？
这是由于电冰箱的压缩机作为电动制冷器具的核心部件,其工作的安全性不仅关系到用户的财产安全,而且关系到用户的人身安全，并且压缩机都是在负载条件下启动的。
启动时要求电动机启动转矩较大，启动电流常可达到额定工作电流的三至七倍。
在供电紧张地区或用电高峰时间里，电网电压会变得很低，但有时候，电网电压又会变得很高。
如果在电源电压低于允许的下限值的情况下启动，会因启动转矩不足，造成电动机启动困难，势必迫使电动机的启动电流成倍增长，超过设计的允许的限度。
电冰箱内设的热保护装置对这种瞬间大电流的反应较差，因而极易造成压缩机绕组的烧毁。
当电源电压高于允许的上限值的情况下启动时，电动机绕组因电流过载也同样会出现发热而破坏绝缘的现象，对压缩机的寿命都是有害的，严重时也会烧毁电动机。
过压、欠压保护器就是应运而生的一种辅助性电器。
当电网出现欠压或过压时，应用敏感于电网电压的基本特性，过压欠压保护器及时将电冰箱的电源切断，以保护电冰箱免受非常规电压的破坏。
2.1.2断相运行状态分析
在电冰箱的压缩机处于工作状态时，不允许在电源突然中断后的短时间内重新接通电源。
因为压缩机工作时，压缩泵一侧自蒸发器将低压制冷剂蒸发抽出，经过压缩成为高温高压蒸汽，自另一侧送往冷凝器，实现向空间排热。
两侧压力差最大时可达到十一个大气压，压缩机中断运行后，须经一定的时间才能恢复两侧的平衡，最好保持在五分钟左右，确保了压缩机在轻载状态下起动；倘若压缩机运行中出现断电后又很快接通的情况，由于两侧存在很大的压力差，电动机启动时的负载很大，启动电流较正常值成倍增加，从而带来烧毁电动机的危险。
电冰箱在出售时，生产厂家一般都不配备断电保护器，市场上销售的断电保护器，一般也都不具备智能延迟作用。
一般的断电保护器，在电冰箱停电后复电，不管停电时间多久，它都要延迟5分钟左右才能接通电源，显得非常机械，人们希望在刚刚断电的最近5分钟之内能对电冰箱进行保护，不允许通电，而5分钟之后，则要求一旦来电压缩机能马上通电起动运转，以便在电冰箱室内的温度下降的最短时间内恢复制冷，既能保证食物不至于变质，又可节约电能。
2.2压缩机的保护方案
电压取样鉴别单元
延时电路
驱动单元
直流电源
图2.2.1电冰箱保护器方块图
根据设计任务及要求，所设计的电冰箱保护器必须满足：
电网电压在正常范围时，保护器不影响冰箱正常工作，而一旦电网电压240V或180V时，保护器应立即切断冰箱电源。
为此，必须具有电压取样鉴别电路，以便能及时准确地按要求动作。
正在工作的电冰箱一旦断电又恢复供电时，保护器应延时5分钟后再给冰箱接通电源，这就必须具有延时电路。
延时电路可采用单稳态触发器，为了减小体积，性能稳定，采用555定时器构成的单稳态电路为好。
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。
此外，还应该有供给整个保护器各部分工作的直流电源。
综上所述，电冰箱保护器组成方块图如图1所示。
它由电压取样鉴别单元、延时电路、驱动单元和直流稳压电源四部分组成。
第三章电路组成和工作原理
电冰箱保护器电路原理图如下图所示
图3.1.1电冰箱保护器原理图
3.1电压取样鉴别单元
该单元电路由与非门、电容、电阻、电位器和、二极管组成。
该部分电路的主要功能是当电网电压240V或180V时，向驱动单元提供驱动信号，使继电器触点动作，电冰箱断电；当电网恢复供电时，为延时电路输入一个负脉冲，以便延时电路工作，使冰箱经5分钟才能通电。
3.1.1当电网电压在正常范围内时
电源刚接通的瞬间，电容上的电压不能突变，因而,所以门输出（也是基本RS触发器的输出端Q）“1”状态，门、的输出“0”状态，三极管、截止，继电器常闭触点不打开，电冰箱驱动电机得以供电可以启动。
电源接通之后,正常的电网电压经电阻，和分压后,由两端取出约40V的交流电压,经半波整流再经及滤波后成为直流取样电压,使图中（与非门的转折电压，对于CMOS门，阈值电压约等于直流电源电压的一半，即）,（与非门的转折电压），故门输出“1”电平，门输出“0”电平，门输出（RS触发器的端）“1”电平；因为输出“0”电平，这时给555定时器2脚送人一个负脉冲，其输出端3脚输出“1”电平，对充电，电压上升，使门输入（RS触发器的端）为“1”电平，所以RS触发器保持初始“1”状态，继电器k仍不吸合，其常闭触点仍闭合，电冰箱得以继续工作。
3.1.2当电网电压240V时
由于电网电压升高，使直流取样电压也相应升高，因而使,故门输出为“0”电平，门输出为“1”电平，门输出“0”电平，基本RS触发器，而这时已充电，仍然保持，所以触发器翻转成“0”状态（门输出为“0”电平），导致门和输出“1”电平，使和饱和导通，继电器K吸合，常闭触点及断开，电冰箱断电而停止工作。
3.1.3当电网电压180V时
由于电网电压降低，使直流取样电压相应降低，因而使（这时）,使门输出“1”电平，门输出为“0”电平，也同样迫使触发器翻转为“0”电平，使门及输出为“1”电平，及饱和导通，继电器K吸合，常闭触点、断开，电冰箱停止工作。
3.2延时电路
为防止因断电后又立即通电而烧毁电机，因此要用延时电路。
该延时电路由555定时器IC、电容、电阻等组成。
由图2可知，该电路是一个负脉冲触发的单稳态延时电路，它的工作原理如下：
图3.2.1单稳态触发器工作波形
1.当电网电压从大于240V降至略小于240V时，由于,门的状态翻转，输出为“1”电平，门由输出“1”变为输出“0”（这时有），通过给555定时器IC的2脚送入一个负脉冲，则3脚变为“1”电平。
同时放电管截止，直流电源经电阻对电容充电，（）上升。
经5分钟后，,555电路状态翻转，3脚恢复为“0”电平，输出一个负脉冲，经电容送至RS触发器，使（这时因输出“0”电平，输出为“1”电平，即）,迫使RS触发器翻为“1”状态（Q=1），门及输出“0”状态，及截止，继电器常闭触点闭合，电冰箱恢复工作。
这里555定时器3脚“1”电平的保持时间（放电管的截止时间）仅与电阻和电容的乘积成正比，而与直流电源电压的大小无关。
调整,可以延时5分钟。
单稳态触发器的工作波型见图5所示。
其中为2脚电压，为3脚电压，为7脚电压的波形。
2.若电网电压从小于180V上升到大于180V时，（这时UB第四章电路元器件的选择与计算
4.1IC的选择
555定时器IC选用CB555，其管脚外形图如下图所示。
工作电压=11V。
定时器是一种产生时间延迟和多脉冲信号的控制电路，555定时器是用途极广的精密定时电路。
它的电源电压范围宽（5～18v），输出电流最大值可达200mA，能直接驱动大电流负载，最高工作频率可达300Khz。
555定时器有两个输入端，分别称作阈值输入端（TH）和触发输入端（），有一个输入端（Q）。
此外，还有一个放电开关引出端（D），当在两个输入端（TH和）分别加入输入电压时，根据二输入电压值的不同情况，就可以控制输出端Q的状态（为低电平或高电平）以及放电开关D的状态（是导通还是截止）。
555定时器的所有应用都是基于这一特性，它的功能表如下表所示。
输入
输出
TH
Q
D
0
X
X
低电平
导通
1
>2/3
>1/3
低电平
导通
1
<2/3
<1/3
高电平
截止
1
<2/3
>1/3
保持原状态
保持原状态
表4.1.1555定时器功能表
555定时器IC的引脚功能图如下：
图4.1.1555时基引脚功能图
555定时器的引脚排列图如上图所示。
其中（4脚）是复位端,该端为低电平时，定时器输出端Q为低电平，应用时该端应接到+，CO（5脚）为控制电压端，通常与地之间接一个0.1的滤波电容，旁路除掉来自电源的纹波电压或噪声；该控制端也可以外接固定电压，用来改变阈值电压和触发电压的大小。
555定时器IC的工作原理如下：
图4.1.2555定时器内部原理图
上图为555时基集成电路的内部方框图，可以看出555时基电路由两个比较器和，一个晶体管，三个分压电阻，一个R-S触发器和一个功率输出电路构成。
上限比较器的同相输入端6脚称为复位端R，当R端的点位高于的反相输入端的点位=（2/3）时，输出为“1”，使后随R-S触发器复位，输出端3脚Vo为逻辑“0”，电路处于复位状态。
下限比较器的反相输入端2脚称为置位触发端，当的电位低于A2同相端的电位=（1/3）时，输出为“1”，电路处于置位状态。
R-S触发器处于置位状态时，Vo=“1”，BG管截止，7脚对地断开，允许外部电容充电；当R-S触发器处于复位状态时，Vo=“0”，BG管导通，7脚对地相当于短路，外部电容通过BG管放电。
5脚为外部电压控制端，用于施加控制电压。
4脚是R-S触发器的优先复位端，只要为“0”，实际上<0.7V时，无论R和S端处于什么点位,输出端Vo都为“0”，电路处于强制复位状态。
4.2与非门的选择
与非门可分别选用四2输入的CMOS与非门，其型号选CC4011BD
4.3电压取样单元元件选择
要求在R2两端取出约40V的交流电压，占供电电压（220V）的十一分之二，故选:
整流二极管选用2CZ55B,滤波电容:
因为是半波整流电容滤波，电容两端的电压：
设二极管的工作电流：
又要求：
可计算出：
可取。
要求，因为CMOS与非门的电源电压由直流电源的F端供给，即,所以，以此为据，可选择，，的电位器。
。
选,,。
4.4延时电路元件选择
选，可以计算出的范围，在图3中，。
当时
可选用470的固定阻值与1.5的电位器串联。
4.5驱动单元元器件选择和计算
：
选,的NPN型小功率硅管，型号3DG100B（旧型号3DG6B）
:
选,的NPN型中功率硅管，型号3DG130B（旧型号3DG12B）
:
选2CZ55B（旧型号2CZ11K）。
继电器K:
选用直流24V小型通用继电器。
的计算：
设，继电器K的直流电阻,则三极管的基极临界饱和电流
当门输出高电平（）时，要使饱和导通，则
故，
取。
4.6直流稳压电源元器件的选择和计算
稳压二极管的选择
电路要求F点输出电压
E点输出电压
即
查手册选用2CW59（就型号2CW18）,其稳压电压，最大工作电流。
、的计算：
，
可取
由于
为了让调整管可靠地工作在放大区，必须使其管压降，取,,
则
故选。
变压器T的选择：
因整流滤波电路为全波桥式且电容滤波，所以变压器次级电压
取.选电源变压器为初级输入220V交流电压，次级电压为30V、电流为0.1A。
二极管选用2CZ55B.
电容的选择：
三极管的选择：
选3DG100B,和选3DG130B.
以上电阻均选用RJ0.25W的金属膜电阻，电位器均选用稳定性较好的小型电位器。
总结
该论文是在唐老师的悉心指导下，学习前人设计与制作过欠压电冰箱保护器的经验，以查阅图书等方法下完成的。
在这次论文的设计中，不仅学到了很多知识，还提高了我自学的能力。
许多软件都能熟练应用，例如：
protel99se、仿真软件ewb10.0等等，对于处理问题的能力也有很大的提升。
课题设计过程中主要完成的工作有以下几个方面：
（1）论文的开端就介绍了点冰箱保护器的重要性，其在国内外的发展历史，设计提出的原因等等。
（2）对该设计中使用的主要元器件进行系统的分析，讲解。
（3）详细的分析了电冰箱在运行中可能出现的过压、欠压，断想等故障的特点。
并针对以上故障的特点进行分析总结，得出相应的保护措施。
附表1：
外购件明细表
序号
代号
名称
型号
规格
数量
1
D1.2.3.4
整流二极管
1N5400
50V/3A
1
2
D8.9
稳压二极管
2CW7C
6.5V/38mA
2
3
U
运算放大器
F007
3
4
D
开关二极管
IN4148
5
5
Q1
晶体三极管
9105
1
Q2
2N3055
1
Q3
TIP1222
1
Q4
2N5551
1
6
LED
发光二极管
LED705
红色
1
7
EC1.
电解电容器
CD11-3300uF/50V
1
8
EC3.4
电解电容器
CD11-47uF/50V
1
9
P1.2.3
滑动变阻器
10KΩ
2
10
R4.9.8.10.15.16
金属膜电阻
RJ-0.25-10KΩ
6
11
R1.3.12
RJ-0.25-2.2KΩ
3
12
R17
RJ-0.25-1KΩ
1
13
R13.11
RJ-0.25-27KΩ
2
14
R5
RJ-0.25-33KΩ
1
15
R18.6
RJ-0.25-56KΩ
2
16
R20
RJ-0.25-82Ω
1
17
R25
RJ-0.25-100KΩ
1
18
R21
RJ-0.25-220Ω
1
19
R14
RJ-0.25-270KΩ
1
20
R19
RJ-5-0.47Ω
1
21
R22
RJ-0.25-1.5KΩ
1
22
R2
RJ-0.25-3.9KΩ
1
23
R7、
RJ-0.25-4.7KΩ
2
24
C4
电解电容器
100nF
1
25
C3.5
电解电容器
100pF
1
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