家用多功能用电保护器的设计.doc

1 引言 随着社会科学技术的日益发展，电子产品在人类的社会生活中扮演着越来越重要的角色。这也就意味着电能在经济发展中占有重要的地位，电能在各行各业的广泛应用，给人们的生活带来了方便。但同时随之而来的还有不容忽视的安全问题，例如：社会家庭，学校学生宿舍等人口密集场所常因过负荷造成线路短路，从而引起火灾，对我们的人生财产带来损害。同时，为了确保安全用电，一系列用电保护器应运而生，但是目前市场上多数限电装置功能单一，灵敏性较差。在安装此类保护器的情况下，若在社会家庭中大量使用大功率电热设备，比如热得快、电炉子、电暖风、电水壶等危险电热设备，将使线路超负荷供电，造成电源开关经常因过载而跳闸，也使线路容易老化而引起失火等严重后果。而其他用电器如计算机、电视机、电子日光灯等则无法正常使用。节能环保已成为当今全球能源发展的一个共同主题。同时，随着国家对节约能源的宣传，人们的节电意识也明显增强。但有一些用户在用电时偶尔会出现负荷过大开关跳闸的情况，从而限制其电路过负荷的情况。但还有一部分用户仍不了解其跳闸的原因，所以我们应正确认识和对待用电保护器的重要性及其作用，正确、合理、科学地使用用电保护器，加强和完善用电保护器的维护管理，对于强化安全用电、避免或减少触电、漏电伤亡事故都会起到事半功倍的效果，反之，则会给人民群众的生命财产带来巨大的损失。装设多功能用电保护器，把它作为低压电网及电气设备的安全技术保护装置，无疑是弥补直接保护不足的一种行之有效的间接保护，是防止因电气设备绝缘损坏而漏电，避免或减少触电伤亡事故，预防因漏电、过压而引发火灾事故，保护用电设备，保证供电可靠性，保护电网安全运行的一项最有效的技术措施。这就要求选用技术性能好、耐用性强、质量稳定的集漏电保护、过压保护、过流保护等功能齐全的新型用电保护器。总之，要科学、系统、合理、全面地选用用电保护器。2 用电保护器的概况随着电力科技的不断发展，保护装置更新换代是日新月异。常见的保护电器主要有两种：一是断路器，二是熔断器。断路器类型很多，从保护特性看，有非选择型和选择型断路器两大类；此外，还有带漏电防护的断路器。这些保护电器各有自身的特点，自然也有其不足之处，应根据配电系统各自的具体条件和要求选用，不能简单的用先进或落后给予评价。 在当今世界，特别是一些发达国家，断路器产品的技术发展十分迅速，不断研制出更新型、保护功能更完善的断路器。近十年来，差不多每十年左右更新换代一次，一直到推出功能完善、具有通信模块的智能型断路器，为配电线路防护提供了性能极佳的保护电器。近20 年来，我国电器工业发展十分迅速，断路器产品紧跟国际先进技术潮流，研制了多种智能型断路器，为配电线路提供了更完善的保护功能。但是，在欧美一些发达国家，并没有因为断路器的快速发展而淘汰熔断器，也没有把熔断器视作落后或过时的产品。据知，在德、法等国家如西门子、溯高美等电器公司，不但仍生产熔断器，还继续研制新的产品，技术上也不断进步。从这些方面说明：断路器是先进的保护电器，而熔断器也绝非过时或落后的产品。应该说，两者相辅相成，各有自己的应用范围。2.1用电保护器的类型目前市场上的用电保护装置多为漏电断路器(俗称漏电开关)，主要有电磁式和电子式两种。而且市场供应的漏电断路器绝大多数是电子式，例 DZLl8、DZL33、DLK、DZL3032等。DZLl8、DZL33、DLK这三种电子式漏电断路器除具有人身电击保护作用之外，还具有过压保护的作用，但不具备过载保护作用，因此选用这种漏电断路器时，必须串联熔断器。电子式漏电保护器制作简单，价格低廉，是我国广泛采用的漏电保护器类型。但它不同于电磁式漏电保护器类型。电磁式漏电保护器用故障电流的能量来脱扣，而电子式漏电保护器是用故障回路的残压来脱扣（发生接地故障时，回路电压下降，此残压指故障时漏电保护器接线端子上的电压，不是指公用电网的电压负偏差）。当接地故障点靠近漏电保护器时，其值过低，不能使漏电保护器动作来避免事故的发生。因此，当采用电子式漏电保护器时，应注意漏电保护器的安装位置不能离插座太近，以保证漏电保护器处有足够的故障残压。另外，当回路的中性线断线时，回路上的电子式漏电保护器也将因为缺失电压而不能动作，这时如手持绝缘损坏的手握式和移动式设备将是十分危险的。因此，在设计电子式漏电保护器时，要考虑上述因素。3 总体方案设计3.1 设计任务设计一个具有欠、过压保护，过载、短路保护，触、漏电保护的多功能保护装置，该装置适用于城乡家庭、学生宿舍等集体公寓，保护装置动作后，各用电器之间互不影响，从而减少用电器的损失和加强人身安全的保护。3.2 用电保护器工作原理电路主要由直流稳压电源，欠、过压保护，过载、短路保护，触、漏电保护四个部分组成。其中，直流稳压电源部分的作用是把市电降压、整流、滤波得到12V的直流稳压电源供各控制电路使用。欠、过压保护部分则设定当电源电压低于190V或高于250V时分别显示不同颜色的灯来指示，而且双向晶闸管关断，电源无输出。过载、短路保护部分限定功率为350W，当用电功率超过限定范围或发生短路故障时，继电器将用电线路切断，同时发光二极管示警。触、漏电保护部分的主要作用是通过反映电路中的电流变化，及时关断电源来确保人身全。保护电路对过载、短路，触、漏电的检测时间为30秒/次，负载正常后自动恢复供电。用电保护器工作原理框图如图3.1图3.1用电保护器工作原理框图3.3 用电保护器总体功能（1）具有欠、过压保护功能。电源电压正常值设为190-250V，当电源电压低于190V或高于250V时保护器动作，自动断开电源；（2）当过载、短路时，LED发光示警，断开电源。当恢复正常时，自动延时供电；（3）触、漏电保安功能；（4）具有限动力电压（380v）侵袭保护功能；4 单元电路设计4.1 直流稳压电源部分一种简单的稳压电路如图4.14.1稳压电路原理图市电经C2、R1降压，通过D1、D2整流，C2滤波后获得12V左右的直流电压，经三端集成稳压器7812稳压，得到12V的直流稳压电源供给各控制电路使用。电路采用电容降压法，电容降压的工作原理并不复杂。他的工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。在本电路中：在50Hz的工频条件下,一个0.47F的电容所产生的容抗约为7613。当220V的交流电压加在电容器的两端,则流过电容的最大电流约为29mA。其计算式如式（1）。IC = 220V/761329mA (1)其中R1是放电电阻。电容降压实际上是利用容抗限流，而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。在稳压过程中整流电路扮演着重要的角色，半波整流是由电源变压器、整流二极管和负载组成。整流电路的工作原理如图4.2图4.2半波整流电路工作原理图它由电源变压器Tr整流二极管D和负载电阻RL组成,变压器的初级接交流电源,次级所感应的交流电压为: (2)式（2）中U2m为次级电压的峰值,U2为有效值。电路的工作过程是：在的u2正半周（t = 0-）,二极管因加正向偏压而导通,有电流iL流过负载电阻RL。由于将二极管看作理想器件,故RL上的电压uL与u2的正半周电压基本相同。在u2的负半周（t =-2）,二极管D因加反向电压而截止，RL上无电流流过，RL上的电压u = 0。可画出整流波形图如图4.3图4.3半波整流波形图1可见,由于二极管的单向导电作用,使流过负载电阻的电流为脉动电流,电压也为一单向脉动电压,其电压的平均值（输出直流分量）为: (3)流过负载的平均电流为: (4)流过二极管D的平均电流（即正向电流）为： (5)加在二极管两端的最高反向电压为： (6)选择整流二极管时,应以这两个参数为极限参数。半波整流电路简单,元件少,但输出电压直流成分小（只有半个波）,脉动程度大,整流效率低,仅适用于输出电流小、允许脉动程度大、要求较低的场合。在滤波电路中，电解电容器两端又并联上一只容量较小的固定电容器。主要是因为电解电容器容量很大，并联上一个很小的固定电容器，对电解电容器的容量基本没旨影响。并联小电容的目的，主要是为消除电解电容的附加感抗作用，防止出现高频自激。大容量的铝电解电容器两极板的铝箔很长，卷绕起来后就形成了较大的附加电感，其附加电感产生的感抗会有几百欧，为了滤除高频干扰，就需要在电解电容上并联上一只较小的固定电容，用来提供一条高频阻抗较小的通路。并联的小固定电容一般为0.010.68F。4.2 欠、过压及延时保护电路一种简单实用的欠、过压及延时保护电路如图4.4图4.4欠、过压及延时保护电路原理图市网交流电经过电容C7降压后，再由二极管D7和二极管D8整流，电容C8滤波后，通过三端稳压器7812向电路提供低压直流稳压电源。电路采用CMOS反相器进行检测与控制，由于CMOS反相器具有电压传输曲线徒直的转折特性2，因此检测控制灵敏度高，电路动作回差小，结构简单，性能优良。在欠过压及延时保护电路中，电阻R16,二极管D9,二极管D10和二极管D11构成正与门网络3。同时，电路中的供电延时时间由电阻R16和电容C9决定。电路中三极管T2和继电器J3组成驱动执行电路。电阻R18和发光二极管LED2组成示警电路。当市网电压正常时反相器FX1，反相器FX2和反相器FX3均为输出高电平，使得二极管D9,二极管D10和二极管D11截止，电容C9经过电阻R16充电延时，同时J3释放使放光二极管LED2 点亮，则负载不得电。当电容C9的端电压上升到继电器J3的吸和电压使J3吸合，负载得电，LED2熄灭。电路中，电阻R15和W3为过压采样器。如果市网电压过高时，反相器FX3变为低电平，电容C9经过二极管D10和反相器FX3迅速放电，使J3释放，负载断电，LED2点亮告警。当市网电压恢复正常后，FX3恢复高电平，电路重新经过延时后供电。R14和W2为欠压采样器，市网电压过低时FX3变为低电平，C9亦放电使J3释放，发生漏电事故时，FX4变为低电平，J3亦释放使负载断电。当动力电压380v侵袭时，同理FX3输出为低电平使J3释放，同时电路中电流略有增加，电容C7压降增加，负载保持断电状态，电容C7应选用耐压为500v的电容,可以长期防护动力电压侵袭，保护电器安全。同时，电容C7的存在使电路呈现容性，对电网安全率因数具有一定的补偿作用，因而对供电有利3。4.3 过载保护电路过载保护电路原理图如图4.5B2图4.5过载保护电路原理图在过载保护电路中，B2为过载采样互感器，电感L4仅为几匝。电阻R12*和电容C6为大电流冲击滤波电路，继电器J2为过载执行继电器。电阻R11、电阻R12和LED1为示警电路。当负载功率正常时，B2工作在电流互感状态，L5感应电压较低，J2释放使得负载得电3。如果负载功率超限时，L5感应电压升高，经过R12*和C6短暂延时后J2吸合3。由于J2触点的切换使L6接入到电路中，此时B2工作在电源变压器状态，同时J2处于自保状态。由于电感L6阻抗远大于负载阻抗，市网电压主要降落在L6上，使得负载所得电压几乎呈现断电状态，同时LED1点亮警告。负载开关断开后电路恢复正常J2释放，电路重新恢复供电。电容C1、电阻R1和BX（保险丝）为短路保护电路。如果负载严重超载或发生短路故障时，BX会熔断从而保护用电器，此时电网电压降至C1两端防止电线线路中电流太大发生失火事故。C1可以向小功率照明负载供电，以便于夜间维修。SG1和SG2为避雷器，用以抑制雷电的破坏作用3。过载保护电路可以广泛应用于防窃电控制场合，实行技术管电，节约电能技术3。4.4 触电、漏电保护电路其原理是：根据串联电路电流处处相等的理论，在电源的火线和零线分别安装一个取样电路并将取样数据送至比较电路进行比较，如果两个电流出现差别超过设定数值，电路就认为出现了漏电，当即启动控制电路切断火线和零线，以起到保护作用。判定是否漏电的的原理依据是：流进和流出开关的电流必须相等，否则就判定为漏电。当漏电电流达到和超过一定的阈值时，产生保护动作-跳闸。判定的阈值是可以设定的，因为电路就是人为设计的。只是应用时要根据不同的场合，选用不同灵敏度的保护器。在了解触电保护器的主要原理前，我们有必要先了解一下什么是触电。触电指的是电流通过人体而引起的伤害。当人手触摸电线并形成一个电流回路的时候，人身上就有电流通过；当电流足够大的时候，就能够被人感觉到以至于形成危害。当触电已经发生的时候，就要求在最短的时间内切断电流。比如说，如果通过人的电流是50毫安的时候，就要求在1秒内切断电流，如果是500毫安的电流通过人体，那么时间限制是0.1秒。为了保证人身安全,额定漏电动作电流应不大于人体安全电流值,国际上公认30mA为人体安全电流值。为此，国标GB682986漏电电流动作保护器（剩余电流动作保护器）的要求，漏电保护的行业标准：额定漏电动作电流应不大于30mA，额定漏电动作时间应小于0.1S。触电、漏电保护电路原理如图4.6图4.6触电、漏电保护电路原理图在触电、漏电保护电路中，B1为零序互感器，由L1、L2、L3和铁芯组成。二极管D1和电容C2为触电检测器，触电动作的灵敏度可由W1进行调节。电阻R3、二极管D3、电容C3和电阻R7为机壳漏电检出器。电阻R4、电阻R5和二极管D2为漏电自保网络，同时二极管D4、二极管D6和电阻R8为正或门网络。T1和J1为驱动执行电路，漏电由发光二极管LED3示警。AN1、R2为人工试机电路，AN1为人工复位按钮。未发生漏电事故时，L1和L2中的电流大小相等方向相反，B1中无磁通变化，L3无感应电压，IC1输出为低电平J1断开。机壳无漏电电压，C3两端电压为零，或门输出为低电平，T1截止，J1释放，LED3熄灭，负载得电。一旦发生人体触电或漏电时， L1和L2中电流失去平衡，L3感应电压升高使IC1输出变为高电平；机壳带电将会使C3端电压升高，通过或门网络使T1导通，J1吸合，LED3点亮告警3。或门输出高电平通过FX4使J3同时断电释放，该状态通过R4、D2和R5实现漏电自保，从而确保电网与人机可靠脱离3。故障排除后，通过AN2进行人工解除，恢复供电。触电保安电路设计成电流、电压检出双工形式，增加了触电保安的可靠性3。4.5 家用多功能用电保护器原理图其原理图如图4.7图4.7家用多功能用电保护器原理图5 电子元件的选用5.1 继电器JZC-7FA概述：继电器(relay)是一种电门，但与一般开关不同，继电器并非以机械方式控制，而是一种以电磁力来控制切换方向的电门。当线圈通电后，会使中心的软铁核心产生磁性，将横向的摆臂吸下，而臂的右侧则迫使电门接点相接，使两接点形成通路。 它是一个双轴双切的继电器，它有八支接脚，排列方式如图上接脚编号。特点： 触点负载：2A 250VAC 线圈电压：DC6V 外型尺寸（MM）：22.0X16.5X19.0管脚排列图如图5.1图5.1继电器JZC-7FA管脚排列图5.2 三端稳压器78127812主要参数有：输出直流电压 U012V，输出电流 L:0.1A，M:0.5A，电压调整率 10mV/V，输出电阻 R00.15，输入电压UI的范围1517V 。因为一般UI要比 U0大35V ，才能保证集成稳压器工作在线性区。5.3 电阻与电容的选用 根据电阻与电容的特性以及考虑到整个电路的良好运行，电阻与电容的选择参照表1：表1 电阻与电容的选用：电阻规格电容规格R11MC11F/400VR215KC2100F/10VR351kC3100F/10VR4100kC447F/16VR55.1kC5100F/16VR610kC647F/16VR73kC71F/500VR810KC81000F/25VR930KC9470F/16VR10200KC1047F/16VR1110KC11470F/16VR1251KR12*510R131MR145.1KR1510KR1630KR173KR183K5.4 其他器件的选择IC 选用LM324；FX 选用 CO33；B1、SG1、SG2选用成品器件；B2在1W-3W电源变压器（9-12V）上加绕10-20匝即可；二极管均为IN4004。6 用电保护器的功能扩展由于时间的限制，在毕业论文结束之前，我没有进一步对系统进行优化及改良，本用电保护器只能做到现有的程度。我认为可以根据实际需求在某些方面做得更好。在此，我对本系统还可以做到的某些扩展功能进行介绍。本装置采用的是硬件判断法，这种方法虽然满足了响应时问的快速性，但由于没有CPU的控制，其输出保护控制方式缺乏灵活性， 在很多智能设备中应用较少，不利于以后的智能化实现。改用软件判断法，通过对输出电流的采样，经模数转换后送入CPU处理，CPU判断出过流与短路后再控制输出控制器。随着设备智能化程度的不断提高，需要监测的状态也越来越多，包括主要器件的工作状态、输入条件的变化以及输出质量等。其中对设备或功率器件的输出短路与过流监测是非常重要的。能及时检测出短路或过流，并迅速对故障进行处理，不仅是系统智能化程度高的表现，更重要的是能对系统进行有效地保护，避免酿成重大事故。对输出电流的控制的软硬件实现，采用硬件申请、软件处理的短路与过流保护复用技术，将输出过流与短路故障两个信号复合后一起送入CPU处理，克服了以上缺点，既能满足短路保护的即时性，又可以根据实际需要灵活的进行各种保护控制。7 结论研究表明一个安全、可靠、高灵敏度的用电保护器在我们的日常家用电器的使用过程中扮演着必不可少的角色。同时，正确、合理、科学地使用用电保护器，加强和完善用电保护器的维护管理，对于强化安全用电、避免或减少触电、漏电伤亡事故都会