毕业论文定稿(贵州民族大学毕业设计)

贵州民族大学毕业论文（设计）

电冰箱保护器的设计

系 部： 计算机与信息工程学院 专 业： 电子信息科学与技术 班 级： 2008级 学 号： [1**********]2 学生姓名： 杨胜林 指导教师： 葛一凡

2012 年 5 月 27 日

电冰箱保护器的设计

杨胜林

摘要：

随着我国人们生活水平的提高，电冰箱已经逐渐成为我国广大居民家庭生活必备的一种家用电器。然而，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以及雷电袭击时很容易导致绕组线圈烧毁。因此，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、雷电袭击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，可以利用变压器，再配以控制电路设计了一种自动选压、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。

本设计是在分析了目前国内外电冰箱保护器的研究进展与现状的基础上，设计了一种集过压欠压、延时、雷电保护于一体的多功能电冰箱保护器。文中首先探讨了冰箱保护器的价值和发展状况，并提出了设计的主要任务和内容。然后分析了电网过、欠压、突然断电和雷电袭击时，压缩机受到的影响，并根据其工作原理，绘制电路原理图，进行元器件的选择与计算，设计相应的仿真。最后进行分析总结，并写出该设计的参考文献。 关键词：电冰箱保护器；过压；欠压；雷电；保护特性

Study on integration protector of refrigerator

Yangshenglin

Abstract:Along with our country people living standard enhancement, freezer has gradually become China's vast household life necessary for a household appliance. However, the driving motor of refrigerator in certain voltage range to work properly, the supply voltage is too high or too low and the lightning attacks easily lead to a winding coil burning. Therefore, the refrigerator is easy to be damaged or short life is that a question. Investigate its reason, power supply voltage fluctuations, instantaneous power, thunder and lightning damage or shorten the life of the refrigerator is one of the main reasons. But for the vast majority of household refrigerators, instantaneous power and voltage fluctuation is almost inevitable. Therefore, can make use of the transformer, coupled with the control circuit design of an automatic pressure selection, automatic delay protector for a refrigerator, the multifunctional protector for refrigerator according to the load current and judgment of line in various fault and timely protection, reducing the maximum effect on people's daily life, is a kind of economical and practical protector for refrigerator.

This design is in the analysis of the current domestic and foreign protector of the refrigerator and the research progress on the basis of the status quo, to design a set of over-voltage under-voltage, delay, lightning protection in one multi-functional protector for refrigerator. This paper first discusses the refrigerator protector value and development status, and put forward the design of the main tasks and contents. Then it analyzes the network, undervoltage, a sudden power failure and lightning attacks, compressor affected, and according to its working principle, drawing the circuit diagram, components selection and calculation, design the corresponding simulation. Finally, analyzed and summarized, and write the design reference.

Key words: protector of the refrigerator; overvoltage; undervoltage; lightning protection characteristic.

目录

第1章 绪 论 ......................................................................................................................................................1 1.1 研究目的和意义： ....................................................................................................................................1 1.2 国内外电冰箱的发展状况 .......................................................................................................................2 1.3 本课题的主要任务和研究内容 ..............................................................................................................3 1.3.1本课题的主要任务...............................................................................................................................3 1.3.2本课题研究的内容...............................................................................................................................4 第2章 电冰箱的组成及工作原理...................................................................................................................5 2.1 电冰箱的结构组成 ....................................................................................................................................5 2.2 电冰箱工作原理： ....................................................................................................................................6 2.3 电冰箱保护电路设计原理 .......................................................................................................................6 第3章 电冰箱的运行条件分析 .......................................................................................................................7 3.1 欠压、过压运行状态分析 .......................................................................................................................8 3.2 突然断电又即通电运行状态分析..........................................................................................................9 3.3 强电流运行状态分析 ................................................................................................................................9 第4章 电冰箱欠压、过压、延时保护器的设计 ........................................................................................10 4.1 电路设计思路 ...........................................................................................................................................10 4.2 电路组成框图 ...........................................................................................................................................10 4.3 工作电路原理 ...........................................................................................................................................11 4.4 参数的选择计算.......................................................................................................................................12 4.5 电路仿真及调试.......................................................................................................................................12 4.6 各类元器件的认识 ..................................................................................................................................15 第5章 电冰箱雷电保护器设计 .....................................................................................................................18 5.1 雷电的认知................................................................................................................................................18 5.2 防雷器的设计 ...........................................................................................................................................19 5.2.1 交流电源口防雷设计 .....................................................................................................................20 5.2.2 防雷器元件的认识 .........................................................................................................................21 第6章 展望 .........................................................................................................................................................25 第7章 总结 .........................................................................................................................................................25 致谢...........................................................................................................................................................................26 参考文献..................................................................................................................................................................26

第1章 绪 论

1.1 研究目的和意义：

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。

据不完全统计，2011年中国冰箱、冰柜的总产量已经逼近一亿台。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±10%），而且局部断电又时有发生。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。因此，电冰箱需要一个保护器对其进行检测和保护。

1.2 国内外电冰箱的发展状况

第一台电冰箱是1923年，由瑞典两位工程师浦拉腾和孟德斯制成的。1956年，国内第一台电冰箱在北京“雪花”冰箱厂研制成功。它不但可以储存剩饭剩菜、发扬节约的传统美德,而且还可以保存新鲜食品，为“懒人”们腾出更多的时间。不用多说，电冰箱的发展也是日新月异的，外形越发豪华美观，功能趋向完善，如抗菌、节能0℃保鲜等。目前电冰箱广泛应用于家庭、医药卫生、商业和科研单位冷冻、冷藏设备。在日常生活中，人们对电冰箱的依赖性越来越高，但由于我国电力系统的不稳定性，给电冰箱的使用和保护带来了许多不便，不少电冰箱受到了不同程度的损坏，给家庭和社会带来了不小的损失。

电冰箱保护器是随着电冰箱的不断普及而派生的一种专用保护装置。它的使用，大大延长的电冰箱的使用寿命，已经成为家庭必不可少的得力帮手。电冰箱保护器的发展也成为多样化，也为电冰箱提供了有效的保护。

1.3 本课题的主要任务和研究内容 1.3.1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180～260v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。

还有一点，在雷电天气下使用电冰箱时，雷电虽然不会直接袭击到冰箱机身上，但是雷电袭击附近的建筑物时，附近电线及一些金属物产生的感应电压或电流时很高的，如果不阻止这种高电压电流进入冰箱，就会导致机子被超强电流的袭击而损坏工作电路。所以在供电部门必须在在户外做一定的防雷措施，在房子内部，冰箱的电源端口，都有必要设置相关的防雷器件，保证冰箱的正常使用和寿命。

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。以及当有雷电袭击时，把雷电引到电冰箱外部去消除。

1.3.2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

当电网电压260V时，电动机绕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、正确设计雷电保护电路

当雷电袭击时，设计出一个电路，阻止雷电的超强电流流入电冰箱箱体内部。 5、根据画好的工作原理图，做出设计电路的仿真

根据设计的原理图，对整个电路进行仿真实验，也可对局部的保护电路进行仿真。对于无法仿真的电路做出详细的分析介绍。

第2章 电冰箱的组成及工作原理

2.1 电冰箱的结构组成

电冰箱的种类很多，按不同分类方式可以得出不同的种类。按制冷方式来分类，可以分为气体压缩式、吸收制冷式、半导体制冷式、太阳能制冷式、电磁振动制冷式、辐射制冷式等种类；按冷却方式分类可分为直冷式、间冷式、混冷式三种；按温度控制方式分类可以分为机械控制和电脑控制两种。还有有氟电冰箱和无氟电冰箱之分，还有一到四星级等等级之分，也有按压缩机转速来分类的定额型和变频型之分。总之，种类很多，我们家庭中常用的电冰箱一般是蒸汽压缩式电冰箱。

蒸气压缩式电冰箱组成结构如图2-1所示，主要由压缩机、冷凝器、干燥过滤器、毛细管、蒸发器等部件组成，其动力均来自压缩机，干燥过滤器用来过滤赃物和干燥水分，毛细管用来节流降压，热交换器为冷凝器和蒸发器。制冷压缩机吸入来自蒸发器的低温低压的气体制冷剂，经压缩后成为高温高压的过热蒸气，排入冷凝器中，向周围的空气散热成为高压过冷液体，高压过冷液体经干燥过滤器流入毛细管节流降压，成为低温低压液体状态，进入蒸发器中汽化，吸收周围被冷却物品的热量，使温度降低到所需值，汽化后的气体制冷剂又被压缩机吸入，至此，完成一个循环。压缩机冷循环周而复始的运行，保证了制冷过程的连续性。

图2-1 电冰箱制冷系统原理图

2.2 电冰箱工作原理：

液体由液态变为气态时，会吸收很多热量，简称为“液体汽化吸热”，电冰箱就是利用了液体汽化的过程中需要吸热的原理来制冷的。

电冰箱的工作原理是根据蒸发器的温度控制制冷压缩机的启、停，使冰箱内的温度保持在设定温度范围内。冷冻室用于冷冻食品通常用于冷冻的温度为－3C～－15C,冷藏室用于相对于冷冻室较高的温度下存放食品，要求有一定的保鲜作用，不能冻伤食品，温度一般为0C～10C，当测得冷冻室温度高至－3C ~0C时或者是冷冻室温度高至10C～13C时就会启动压缩机制冷，当冷冻室温度低于－15C～－18C或都冷藏室温度低于0C～－3C时停止制冷，关断压缩机。这个过程主要由一个温控器来完成对温度的监控和反馈调节的。

其中，电冰箱的正常工作都是建立在供电电压的正常提供基础上，如果电压不稳定，过压或欠压，突然地断电又立刻来电，或者有雷电流袭击冰箱时，就会使压缩机以及温度控制器都不能正常工作。所以重中之重就是要保证电冰箱的电源保持在正常电压范围内工作，否则冰箱自动的断电进行自我保护。

2.3 电冰箱保护电路设计原理

图2-2 电冰箱保护系统

本设计的电冰箱保护器分为三个部分，雷电保护、过压欠压保护、断电即通电保护。电源端口的防雷保护器重点介绍户外发生雷电袭击线路或产生感应电压（电流）时，雷电流及感应电流经过供电部门的I级和II级保护泄流减压后，

对剩下的那一部分后续电流和电压进行重点保护的设计。

发生雷电袭击或者有雷电感应后，经过II级保护后的电压最大也就是4kV，这个电压由输电线传到室内，经过第III级和第IV级的防护器再次泄流减压，电压可减到几百福特左右。这样的电压，就算基本上可以使机器不受强电流的烧毁了。如果第IV级过后的残压大于260V，则由过压保护器LM339检测到后，就会自动的使VT2截止，继电器常闭点断开，电冰箱停止工作。若防雷器减压后的电压刚好在电动机的正常工作范围内（180V-260V），则电冰箱正常工作而无需断电。

第3章 电冰箱的运行条件分析

电冰箱的工作原理我们已经知道，之所以电冰箱能够有序准确的保持正常工作，是建立在外部客观的必备条件上的。如果外部的条件发生改变，电冰箱的正常工作就可能受到破坏，甚至毁坏电冰箱。那么在普通的家用电冰箱中，使电冰箱受到破坏的有哪些因素呢？我们做了分析，损坏电冰箱工作的因素很多，其中最主要的是电冰箱的生产质量，维持电冰箱正常工作的动力源——电压（或电流）的异常波动，以及人为损坏等因素，质量问题是在生产商那决定的，我们只能在购买时尽量选择牌子好、信誉好、声誉好的产品，对于人为损坏原因，我们尽量爱护使用即可，而电压（或电流）的异常升高或降低，我们使无法避免的事。因此，本文就电压（或电流）的升降设计一个保护方案，使电冰箱免受不必要的损毁，减少不必要的资源浪费。

因为电流和电压二者是相互依存的，所以我们主要对电压问题做分析，电流问题也就同样得已解决。我们可以设置电冰箱内部保护和外部保护的双重保护方案，内部保护主要以市电的异常升高或降低，以及电源突然断电对电冰箱的损毁进行保护的装置；外部保护主要是以雷雨天气时，雷电及雷电感应电压的袭击而进行保护的装置。

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、断电即通电等，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。

3.1 欠压、过压运行状态分析

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、断电即通电等，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。

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180～260v范围内才能保证电冰箱的正常启动和运行。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对该问题而进行设计的保护器。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。

3.2 突然断电又即通电运行状态分析

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。

3.3 强电流运行状态分析

雷电感应是在打雷过程中产生的强大瞬间电磁场，这种强大的感应磁场，可在地面金属网络中产生感应电荷。包括有线、无线通讯网络，电力输电网络和其他金属材料制成的线路系统。高强度的感应电荷会在这些金属网络中形成强大的瞬间高压电场，从而形成对用电设备的高压弧光放电，最终会导致电气设备烧毁。尤其对电子等弱电设备的破坏最为严重，如，家用电器的电视机、电冰箱，电脑、通信设备、办公设备等等。当发生雷电感应时，其中的雷电压和电流随着电源线传入机器内部，场强电流和电压会瞬间就把机器烧毁，甚至引起火灾。另外在雷电产生的时候，电冰箱的机壳和内部的各部分含有金属元件，都会发生静电场，如果不能及时排除这些电场，在机子内部就会自己发生导电、放电情况，致使冰箱不能正常工作，或者烧坏电冰箱个部分电路，甚至可能危及到人们的生命安全。

第4章 电冰箱欠压、过压、延时保护器的设计

4.1 电路设计思路

图4-1电冰箱内部保护设计思路

4.2 电路组成框图

设计的电路组成图如图4-2所示，该图主要由一个LM339电压比较器件、一个NE555定时器和一个继电器构成整个电冰箱内部的保护系统：

图4-2 电冰箱内部保护框图

4.3 工作电路原理

图4-3 电冰箱内部保护器线路原理图

其中由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—260V），该灯发亮，否则会熄灭；NE555时基电路组成延迟记忆电路。

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。

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78L12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，经与门后也输出高电平，此时VT1导通，电压指示灯LED保持发亮。当市电电压升高到260V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，一个高电平一个低电平，经过与门后输出低电平，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。

4.4 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=220V u2=220÷20=11V u3=1.2×11=13.2V 则,Va=6.6V u1=280V u2=280÷20=14V u3=1.2×14 =16.8V 则,Va=8.4V u1=180V u2=180÷20=9V u3=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260V≤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：

R=300÷（1.1×220×10

6

）≈1.2×10

6

4.5 电路仿真及调试

根据电路原理图，用proteus软件对其进行仿真并作适当合理的调整。因为在proteus中LM339不能进行仿真，可以用同样功能的LM324代替；因为三端稳压电源会受到输入电压大小波动的影响，为了使Rv1、Rv2的电压保持稳定，所以在稳压源添加一个12V的直流稳压电源。分别调节URV1和URV2,使URV1=8.64V,URV2=6.00V。

当市电电压在【180V,260V】时候，电路工作如图4-5-1到图4-5-4所示：

图4-5-1 市电降至180V时仿真效果图

市电为180V,UV=5.93V，小于URV2=6.00V，U2:B输出低电平，U3输出低电平，Q1截止。NE555的2、6脚为高电平，3脚为低电平，Q2截止，RL1不导通，电机不工作。

图4-5-2 市电为185V时仿真效果图

市电为185V,UV=6.12V，大于URV2=6.00V，U2:B输出高电平，U2:A输出高电平，则U3输出高电平，Q1导通。约2分钟后，NE555的2、6脚为低电平，3脚为高电平，Q2导通，RL1导通，电机开始工作。

图4-5-3 市电为255V时仿真效果图

市电为255V,UV=8.51V，小于URV1=8.64V，U2:B输出高电平，U2:A输出高电平，则U3输出高电平，Q1导通。约2分钟后，NE555的2、6脚为低电平，3脚为高电平，Q2导通，RL1导通，电机工作。

图4-5-4 市电为185V时仿真效果图

市电为260V,UV=8.68V，大于URV1=8.64V，U2:B输出高电平，U2:A输出低电平，则U3输出低电平，Q1截止。约5分钟后，NE555的2、6脚为高电平，3脚为低电平，Q2截止，RL1截止，电机停止工作。

4.6 各类元器件的认识

LM339：lm339应用电路图：LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：失调电压小，典型值为2mV；电源电压范围宽，单源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；对比较信号源的内阻限制较宽；共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；输出端电位可灵活方便地选用。

LM339集成块采用C-14型封装，图4-4为外型及管脚排列图。由于LM339使用灵活，应用广泛。

图4-6-1 LM33内部结构

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。

图4-5所示电路由两个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（UR1UR2或Uin

电压ΔU=UR2-UR1。它可用来判断输入信号电位是否位于指定门限电位之间。

图4-6-2 两个LM339组成的电压比较器

NE555：NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。 a、NE555的特点有：

1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。

2.它的操作电源范围极大，4.5V-18V的工作电压范围。

3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载，最大输出电

流225mA。

4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。 b、NE555引脚位配置说明下：

图4-6所示 NE555接脚图

图4-6-3 NE555的内部结构

555定时器的引脚排列图如上图所示。其中R（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+VCC，CO（5脚）为控制电

压端，通常与地之间接一个0.1F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

原理如下：

图4.1.2 555定时器内部原理图 时器IC的工作

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A1和A2，一个晶体管，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A1的同相输入端6脚称为复位端R，当R端的点位高于A1的反

相输入端的点位Va=（2/3）VCC时，A1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S，当S的电位低于A2同相端的电位Vb=（1/3）VCC时，A2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MP是R-S触发器的优先复位端，只要MP为“0”，实际上MP

c、继电器：

图4-6-4 继电器的结构原理

图4-7所示是一种电控制器件，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）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“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5章 电冰箱雷电保护器设计

5.1 雷电的认知

雷电是伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观而又有点令人生畏的放电现象。产生雷电的条件是雷雨云中有积累并形成极性。雷电分直击雷、电磁脉冲、球形雷、云闪四种。当空间有带电的雷云出现时，雷云下的地面及建筑物等都由于静电感应的作用而带上相反的电荷。由于雷云的出现到发

生雷击所需要的时间相对于放电过程的时间要长得多，因此大地可以有充分的时间积累大量的电荷。

雷电发生时，其可在短时间以脉冲的形式通过强大的电流和产生极高的电压。电流峰值有几十千安到几百千安，时间通常只有几微秒到十几微秒。由于雷电流有极大的幅值和陡度，在它周围的空间将有强大的、变化的电磁场，处在其中的导体、金属结构以及电力装置中产生很高的感应电压，可达几十万伏。、

如此大的电压首先要在户外进行排泄，避免如此高的电压进入户内烧毁电器以及威胁人们安全，在户外的避雷方式一般都采用避雷针的避雷方法，通过避雷针，把雷电流引入大地与大地中和。但是尽管如此，雷击避雷针或其他物体时，周围金属类及电线产生的电压也是难免的，这些电压会随着电线传入户内，同样威胁人和电器的安全，所以在户内也是有必要设置相应的防雷电装置。

5.2 防雷器的设计

图5-2-1 雷电防护系统的设计

为了实现真正的防雷电破坏，可以给整个防雷系统划分I-IV四个等级，每个等级相互关系，又各司其职。如图5-2所示。

图 5-2-2 电源系统的多级防雷

图5-2中，第I级和第II级是供电部门负责的防雷设备，6kV的电压是雷电直击输电线附近产生的感应雷电压，经过第I级防雷器A的防雷后，部分雷电流经A流入大地，电压便减至4kV再经II级防雷器B的泄流减压后，电压减至

2.5kV，通过输电线继续流入房子内部。后由户内的III级和IV级防雷设备继续进行泄流减压，使最后机器在安全的电压范围内继续工作。

我们所讨论的重点也是户内的III级和IV级防雷措施，因为在户内我们使用的用电器很多，除非家电设备本身已经提供防雷设备，否则我们是很有必要自己给家庭内部的电力系统装上有效的防雷设施。

现在仅针对电保冰箱的电源部分提供护的装置进行设计，其中可分为电冰箱外部和内部的电源保护装置，外部是对交流电源的保护，也就是图5-2中的第III级，内部是对直流部分电路的保护，即图5-2显示的IV级。

5.2.1 交流电源口防雷设计

电源防雷器中用到的元器件是压敏电阻和气体放电管。

综合压敏电阻和气体放电管的优点和不足，正确选择压敏电阻和气体放电管这二类元器件，用它们各自的优点进行组合，设计一个组合电源避雷器，其整机性能就会相对单独使用其中一种做成的避雷器要好得多。设计方案如图5-3所示。

图5-2-3 交流电源口防雷设计

该方案可通过5KA(8/20μs)和组合波10KV的雷击波。 其工作原理如下所述：

在初级端电路上，解决瞬时浪涌电流的典型方法是金属氧化物压敏电阻。这些器件会将输入浪涌电流钳位在一个电平上，该电平使电源元件能够不受到影响并正常工作。选择氧化锌压敏电阻的主要标准包括工作电压、能量处理性能和峰值脉冲电流性能。

氧化锌压敏电阻的工作电压是能正常工作不会击穿的电压电平。该电压通常是首先要决定的参数，而且很简单。要指定工作电压，设备的线电压则要增加 20%，以允许电源系统的电压增长。这样做的目的是保证 MOV 对系统中的瞬时事件做出反应，而不对临时状况做出反应。

气体放电管可以有效的消除压敏电阻器的漏电流，所以即使压敏电阻器随使用时间增加，其漏电流特性变差，也不会有大额的漏电流流过压敏电阻而造成发热和燃烧，保证了电路的安全性和可靠性。

5.2.2 防雷器元件的认识

压敏电阻

压敏电阻一般是由金属氧化物制成，以氧化锌为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻，当加在电阻两端的电压小于压敏电压时，压敏电阻呈高阻状态，如果并联在电路上，该阀片呈断路状态；当加在压敏电阻两端的电压大于压敏电压时，压敏电阻就会击穿，呈现低阻值，甚至接近短路状态。压敏电阻这种被击穿状态是可以恢复的，当高于压敏电压的电压被撤销以后，它又恢复高阻状态。当电力线被雷击时，雷电波的高电压使压敏电阻击穿，雷电流通过压敏电阻流入大地，使电力线上的类电压被钳制在安全范围内，这个钳制电压一般是几十福特。

压敏电阻的主要参数选择：

1．压敏电压： 所谓压敏电压，即击穿电压或阈值电压。指在规定电流下的电压值，大多数情况下用 1mA直流电流通入压敏电阻器时测得的电压值，其产品的压敏电压范围可以从10－9000V不等。可根据具体需要正确选用。

一般1.5Vp≤V1mA≤2.2VAC，式中，Vp为电路额定电压的峰值。VAC为额定交流电压的有效值。ZnO压敏电阻的电压值选择是至关重要的，它关系到保护效果与使用寿命。

电冰箱的额定电源电压为 220V，则压敏电阻电压值：

1.5Vp=1.5×1.414×220V=476V；2.2VAC=2.2×220V=484V；

所以压敏电压范围为：476～484V

因此压敏电阻的击穿电压可选在 470－480V之间。MYG05K规定通过的电流为 0.1mA。

2．通流容量：所谓通流容量，即最大脉冲电流的峰值是环境温度为25℃情况下，对于规定的冲击电流波形和规定的冲击电流次数而言，压敏电压的变化不超过± 10％时的最大脉冲电流值。为了延长器件的使用寿命，ZnO压敏电阻所吸收的浪涌电流幅值应小于手册中给出的产品最大通流量。然而从保护效果出发，要求所选用的通流量大一些好。在许多情况下，实际发生的通流量是很难精确计算的。简单的讲-通流容量也称通流量，是指在规定的条件（以规定的时间间隔和次数，施加标准的冲击电流）下，允许通过压敏电阻器上的最大脉冲（峰值）电流值。一般过压是一个或一系列的脉冲波。

实验压敏电阻所用的冲击波有

两种，一种是为 8/20μs波，即通常所说的波头为8μs波尾时间为 20μs的脉冲波，另外一种为 2ms的方波。

3．最大限制电压：最大限制电压是指压敏电阻器两端所能承受的最高电压值，它表示在规定的冲击电流 Ip 通过压敏电阻时，此两端所产生的电压此电压又称为残压，所以选用的压敏电阻的残压一定要小于被保护物的耐压水平Vo,否则便达不到可靠的保护目的，通常冲击电流Ip值较大，例如2.5A或者10A，因而压敏电阻对应的最大限制电压Vc相当大， 例如MYG7K471其 Vc=775V(Ip=10A时)。

压敏电阻设计要点：

（1）、型号和参数的选择：由附表1可以查找到，符合上面要求的压敏电阻有:

我们可以选择最优的压敏电阻，如39S511。

（2）、压敏电阻的压敏电压（min(U1mA））、通流容量是电路设计时应重点考虑的。上述取值原则主要是为了保证压敏电阻在电源电路中应用时，有适当的安全裕度。压敏电阻的通流容量应根据防雷电路的设计指标来定。一般而言，压敏电阻能够承受两次电流冲击而不损坏的通流值应大于防雷电路的设计通流量。

（3）、压敏电阻的失效模式主要是短路，当通过的过电流太大时，也可能造成阀片被炸裂而开路。压敏电阻使用寿命较短，多次冲击后性能会下降。因此单独的由压敏电阻构成的防雷器长时间使用后存在维护及更换的问题。

2、气体放电管

气体放电管是一种陶瓷或玻璃封装，管内再充以一定压力的惰性气体(如氩气)，开关型的保护元件，有二电极和三电极两种结构。当电场强度达到击穿惰

性气体强度时，就引起间隙放电变为导通状态，类似短路，却不同于短路，因为导通状态下两极间维持了比较低的电压，一般在20~50v，可以很好地保护后级电路。导通电流可以很大，8/20μs脉冲电流能够疏导10KA。

主要指标有：响应时间 （数百ns以至数ms ）、直流击穿电压（20～50V） 、冲击击穿电压（一般大于600V）。

使用气体放电管的注意事项：

（1）、在交流电源电路的相线对保护地线、中线对保护地线单独使用气体放电管是不合适的

（2）、在直流电源电路中应用时，如果两线间电压超过15V，不可以在两线间直接应用放电管。

（3）、设置在普通交流线路上的放电管，要求它在线路正常运行电压及其允许的波动范围内不能动作，则它的直流放电电压应满足：min(ufdc)>1.8UP。式中ufdc直流击穿电压，min(ufdc)表示直流击穿电压的最小值。UP为线路正常运行电压的峰值。

（4）、气体放电管构成的防雷器长时间使用后存在维护及更换的问题。 与气体放电管比较，氧化锌压敏电阻最大的优点是当它吸收脉冲电压时因残压高于工作电压，不会造成电源的瞬间短路，也不会产生续流。氧化锌压敏电阻的响应时间比气体放电管快。气体放电管的击穿电压对脉冲电压的上升速率十分敏感，电压上升速率越快，点火电压越高，响应时间越快。

气体放电管具有很强的承受大能量冲击的能力，但在具体使用时，由于气体放电管在放电时残压极低，近似于短路状态，因此不能单独在电源避雷器中使用，气体放电管的耐流能力与管径有关，管径越大，耐流能力越好。气体放电管的质量问题主要表现为慢性漏气，长时间使用的可靠性问题（即遭受多次雷电冲击后，直流击穿电压值发生偏移），光敏效应和离散性较大。

电源避雷器中的热熔保险丝的作用是当雷电流超过电源避雷器最大承受能力时，由于过流作用，可使保险丝断开，

同时由于过截使氧化锌压敏电阻温度上

升亦可使保险丝断开，起到过流和温度双重保护作用。由于电源避雷器常态工作条件下，电流非常小，只是在雷电冲击或脉冲电压冲击时，在瞬态条件下起保护作用，因此与常规热熔保险丝的使用条件有所区别，所以，电源避雷器中的热熔保险丝应有独特性能，即在瞬态条件下的熔断特性。

第6章 展望

从目前冰箱市场来看，随着生活品质的进一步提高，人们对冰箱的消费需求已经从只看重冰箱能否延长食物保质期，逐渐发展到大容量、保鲜、营养、健康、环保等多方面并重。未来冰箱产品发展的方向必定代表着市场的需求，也必然符合终端消费者的生活习惯、追求品味、价值观念，相信冰箱厂商在全面了解分析市场的情况下，中国冰箱产业也定会向一个良性的方向发展。

电冰箱在我们的日常生活中的运用更加的广泛，但其高故障率给人们的日常生活带来很多不便，还造成了很大的经济损失，因此在分析传统电冰箱保护装置不尽完善的基础上，研制功能完善、可靠性高的电冰箱保护装置己经成为必要。

进入二十一世纪以来，我国市场的规模和特点都出现了很大的变革，企业的经营与管理也已经从过去单一的目标式发展开始向系统化、科学化管理转变。如何从专业的眼光认识冰箱空调保护器行业的发展和市场的转变，如何用科学的方法对企业的各个层面进行有效的管理，将成为企业未来生存和发展的首要问题。 本报告以冰箱保护器行业作为切入点，通过对冰箱在现实生活中存在的不足和缺点做了深入到分析，特别是由于无法保证当前市电不稳定而导致的电冰箱无法正常工作或带来的危害，以及无法避免的自然现象可能带来的危害，做出了详细的分析，并由此提出了一套比较完善的电冰箱保护装置，这套保护装置可以给冰箱行业带来更大的改革，使电冰箱的使用安全系数和使用寿命得到更大的提高，这也就更好的保证社会资源的价值可以得到最大的开发和利用。

第7章 总结

本设计是在葛老师的耐心指导下，加以本人以查阅图书，网上查找资料等综

合学习后做出的设计方案并写成论文形式来描述自己的设计过程。在这次论文的设计中，我不仅扩充了很多知识，还提高了我自学的能力，比如许多软件都得到更加熟练的应用，例如：protel99se，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、应用protel99se绘制出电冰箱保护器的原理图。

3、对该设计中使用的主要元器件进行系统的分析，讲解。

4、详细的分析了电冰箱在运行中可能出现的过压、欠压等故障情况的特点。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。

致谢

本设计的论文的终于写完了，在这个即将毕业时节期间，这次设计首先完成了我大学四年最后的学习任务，使我顺利的完成我的学业。其次是在这次设计中，我确实学到了很多东西，包括对以前知识的稳固，对课专业更神认识，也有对专业之外的很多学问的获取等等。但是我之所以能够如此顺利，我知道除了自己的认真努力，更重要的是我有我指导老师的悉心指导，有同学的批评指正，有学院和学校领导的真心关怀，以及在家里有我的父母的默默支持和奉献。在此，我对所有曾经或正在帮助我、支持我的老师、家人、同学和朋友表示衷心的感谢!

我最衷心地感谢葛老师。葛老师平易近人的风格、严谨的治学态度、丰富的知识、对工作孜孜不倦的追求以及对学生充满关怀不仅让我在学业上跃上了一个新的台阶，更加让我懂得了人生的许多道理，将让我受益终生。本论文的产出过程自始至终都得到了葛老师的悉心指导，从论文的选题到科研课题的确定，从论文的整理到文章结构的定型无不倾注了葛老师的努力。其次，还要感谢所有关心我、帮助我、支持我，但这里还没有提及的人们，谢谢你们!所有这些都将会使我在今后的人生道路上更加信心百倍的挑战自我、挑战人生、追求卓越、创造辉煌!

参考文献

[1] 康华光.电子技术基础(数字部分)[M].高等教育出版社，2006

[2] 康华光.电子技术基础(模拟部分)[M].高等教育出版社，2006

[3] 郭国法.直冷式电冰箱的自动控制系统设计[J]．西北轻工业学院学报2000 [4] 张钟津.简易型冰箱保护器改进[J]《家电维修：大众版》2009年 第2期 [5] 韩雪涛.电冰箱维修从业技能全程通[M].人民邮电出版社,2010 [6] 孙余凯.稳压电源设计与技能实训教程[M].电子工业出版社,2007 [7] 刘重轩.论我国电机保护的现状和未来[M].西北纺织工学院学报,1998 [8] 孙立群.电冰箱维修从入门到精通[M].人民邮电出版社,2009 [9] 李景禄.现代防雷技术[M].水利水电出版社,2009 [10] 虞 昊.现代防雷技术基础[M].清华大学出版社,2005

[11] 魏 刚.电动机智能保护器的研究与设计[M].合肥工业大学出版社,2005 [12] 陈生贵. 电力系统继电保护.重庆大学出版社[M],2003 [13] 周惠潮.常用电子器件及典型应用[M]. 电子工业出版社,2007

27

28

29