CN101771262B - 微功耗用电装置功率限制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子技术和安全用电管理领域，涉及一种微功耗用电器功率限制装置。由低电压直流稳压电源、取样电路、延时电路、控制及动作执行电路、动作执行指示电路组成，其特征是：(1)取样电路中的取样电感(TL)用交流变压器的铁芯线绕制；(2)兼有缓冲大电流冲击作用的延时电路。装置设计考虑了电冰箱首次供电需要延时的特别要求，同时也考虑到有些用电器，如：空调、电冰箱等感性负载启动瞬间工作电流很大的特点。该装置具有电路结构简捷，控制灵敏，性能可靠、自身耗电低、制作与开发成本低、易于推广普及的特点，可按照电工86型标准进行模块化设计。安装、使用用电器功率限制装置能有效防止用户违规擅自接大功率用电器。

Description

微功耗用电装置功率限制装置
技术领域
本发明属于电子技术和安全用电管理领域，涉及一种微功耗用电装置功率限制装置。
背景技术
很久以来单位或共用电度表的用户、学生公寓、学生宿舍、公用走廊路灯用电的规范管理，防止用户擅自私接大功率用电器，如：电炉、电水壶、电饭锅等，一直是一项非常难于管理的工作。为了控制电费的开支、保证线路的用电安全和杜绝火灾事故的发生，限制大功率用电器接入和使用，常常通过制定用电管理制度或通过入室突击检查或贴封条或强行通过拉闸停电等办法加以限制，但这些方法均是治标不治本。通过加装分户电表是目前常用的做法，虽然能够解决一些问题，但有些场所安装分户电表后仍然不能解决擅自使用大功率用电器的问题，如：单位集体宿舍、大学学生公寓、学生宿舍等。
本发明所述的微功耗用电装置功率限制装置具有电路结构简单，可根据需要设定用户额定功率的最大值，控制灵敏，性能可靠、自身耗电低、制作与开发成本低廉等优点。能够有效控制因超额使用大功率电器引发事故，能够促进用电的规范管理。那么微功耗用电器功率限制装置究竟有什么有益效果，有哪些技术内容？如何制作？
发明内容
发明目的：能够有效防止用户违规擅自接用大功率用电器，能够消除使用大功率用电器存在的火灾隐患，达到安全用电目的，可以按照电工86型标准进行模块化设计。在技术方案上回避使用技术比较复杂、制作成本很高的单片机技术。限制用电器的功率值可以按照管理需要在很宽的范围内进行无级调节，并且考虑了电冰箱首次供电需要延时特别要求，同时也考虑了有些用电器，如：空调、电冰箱等感性负载启动瞬间电流很大的特点。
技术特征：微功耗用电器功率限制装置，它由低电压直流稳压电源、取样电路、延时电路、控制及动作执行电路、动作执行指示电路组成。
电路工作原理：220V市电经电容C1降压，整流二极管D1整流、稳压二极管D2稳压和电解电容C2滤波后，向电路提供12V直流工作电压。当负载空载或功率较小时，硅三极管BG1截止，硅三极管BG2导通，执行继电器J得电闭合，负载正常供电。当超过设定功率的负荷时，低频电感(TL)两端感应的电压增高，经二极管D3整流、电解电容C3、电位器(RP)和电解电容C4滤波后使硅三极管BG1饱和而导通，这时硅三极管BG2截止，硅三极管BG2负载继电器J掉电释放，继电器触点释放因而用电器断电。这时由于低频电感(TL)两端的电压为0V，二极管D3截止呈高阻状态，电解电容C3、电解电容C4中的电荷经电位器(RP)和硅三极管BG1缓慢放电，实现时间延时。经约5分钟后，硅三极管BG1截止，硅三极管BG2重新导通，继电器J再次吸合，电路自动恢复供电。如果用户的超额负载尚未撤除，电路将重复上述过程，直到用户的超载负荷恢复到设定功率值之内为止。
有益效果：微功耗用电器功率限制装置经长期试用后，不仅具有电路简捷、性能可靠、效果好、体积小，而且造价低廉，很适合批量开发。用电器功率限制装置可根据需要设定用户额定功率的最大值。如果用户擅自使用大功率电器(电炉、电水壶等)时，功率限制装置将自动断电以保证用电安全和电量的管理，避免电气事故的发生，还可有效遏制因电路老化而引发火灾事故，待用户撤除大功率用电器之后，用电器功率限制装置会自动恢复供电。微功耗用电器功率限制装置适用于工人集体宿舍、大学学生公寓、学生宿舍、单位走廊过道等用电场所。
微功耗用电器功率限制装置较好的节电效果，而且能够有效的消除大功率用电器造成的火灾隐患。经过实践确认，本功率限制装置可以联户安装，也可分户安装。
附图说明
附图是微功耗用电器功率限制装置的电路工作原理图；图中的L表示交流220V市电火线接点，N表示交流220V市电零线接点，用电器功率限制装置电路接地参考点与市电零线为等电位，所以火线与零线切不能接反。
具体实施方式
以下结合说明书附图和实施例对本发明的相关技术作进一步的描述。
微功耗用电器功率限制装置的电路由低电压直流稳压电源、取样电路、延时电路(兼有抗大电流冲击缓冲作用)、控制及动作执行电路、动作执行指示电路6部分组成。
电路中元器件相互间的连接关系如下：
1、低电压直流稳压电源电路：由降压电容C1、泄放电阻R1、硅整流二极管D1和稳压二极管D2、电解电容C2组成。
2、取样电路由变压器铁芯线绕制的低频电感(TL)和二极管D3和电解电容C3组成，低频电感(TL)的上端分别接用电器接线端子、二极管D3的正极，二极管D3的负极分别接电解电容C3的正极和电位器(RP)的一端，低频电感(TL)的另一端和电解电容C3的负极接电路地N。
3、延时电路(兼有抗大电流冲击缓冲作用)：由电位器(RP)、电解电容C3、电解电容C4和硅三极管BG1、电阻R3组成。电位器(RP)的上端分别与硅三极管BG1的基极和电解电容C4的正极相连，电解电容C4的负极接地。
4、控制及动作执行电路：由硅三极管BG1、硅三极管BG2和电阻R2、电阻R4及继电器J组成，硅三极管BG1的发射极接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接地，硅三极管BG1的集电极与电阻R2、电阻R4的一端相连，电阻R2的另一端接电源正极VCC，电阻R4的另一端接硅三极管BG2的基极，硅三极管BG2的集电极接电源正极VCC，硅三极管BG2的发射极接继电器线圈的一端、电阻R5的一端和二极管D5的负极，继电器J线圈的另一端与二极管D5的正极接地。
5、动作执行指示电路中的发光二极管D4的正极与电阻R5的另一端相连，发光二极管D4的负极接地。
元器件选择与电路调试
元件选择应着重考虑用电器功率限制装置必须适应长时间不间断连续使用的要求，所以要求元件性能稳定、电路工作可靠为原则。元器件选择尽可能筛选温度适应性宽、且耐高温的元器件。
元器件名称及主要技术参数
  元件编号   元器件名称   主要参数   数量   备注
  BG1、BG2   2SC9013   塑封β≥100   2只
  D1、D3、D5   硅整流二极管1N4007   塑封1A、1000V   3只
  D2   稳压二极管1N4742A   1W、12V   1只
  D4   红色发光二极管   ￠5、LED   1只
  J   继电器   JZC-21F、12V   1只
  TL   低频电感(变压器铁芯)   ￠1.5mm、20匝   1只
  RP   线绕电位器(线性)   15KΩ   1只   有刻度
  R1   泄放电阻   1/8W 470KΩ   1只
  R2   电阻   1/8W 8.1KΩ   1只
  ※R3   电阻   1/8W 1KΩ   1只
  R4   电阻   1/8W 5.1KΩ   1只
  R5   电阻   1/8W 1KΩ   1只
  C1   降压电容   0.47μF/630V   1只   涤纶
  C2   电解电容   1000μF/25V   1只   立式
  C3、C4   电解电容   220μF/16V   1只   立式
本功率限制装置按照附图和元器件的连接关系进行焊接，只要元器件性能完好，接线经过检查无误后，电路基本不需调试即可工作。
大功率电器峰值功率按3000W计算，最大负载电流为16A，J选用小型中功率继电器JZC-21F型，线圈工作电压12V，触点(J-1)工作电流为20A。
RP用来准确地调节阈值电压，即：断电最大功率。负载功率在80～3000W的范围内可任意可调。具体限制功率说值，应根据用户实际要求加载全部用电器负载后，仔细调节RP的阻值，达到要求后用火漆或胶封固。一般情况阈值电压调整可在实际负载功率值的基础上增加10％的功率余量。RP为精密调整元件，应选择线性特性的线绕电位器，且有刻度为好。
取样电路中的低频电感(TL)可按照交流变压器绕制、绝缘处理等技术要求，选用线径1.5mm的漆包线，用1.5～2W交流电源变压器铁芯，在铁芯骨架上绕制20匝即成。若负载功率范围调整为：150～4000W时，那么漆包线的线径应改用＞1.5mm的漆包线，或绕制圈数减少1匝即可。
因电路无电源变压器，为了方便调试和安全起见，微功耗用电器功率限制装置的电路先用11～13V稳压电源进行调试，待用电器功率限制装置电路工作正常以后，再改用市电降压电源进行调试与验证。限制装置直流部分工作电压主要由稳压二极管D2的参数决定，推荐电路工作电压为12V，若电路直流工作电压值有出入，可以通过更换稳压二极管D2来进行微调。
由于电冰箱和彩电等家用电器的启动电流是正常工作电流的5～8倍，开启电冰箱和彩电的瞬间将大大超过功率限制装置的设定值，电路利用RP和电解电容C4电荷不能瞬间充满的惰性，组成抗大电流冲击的缓冲电路，用来防止功率限制装置在启动大功率用电器时电路产生误动作。
考虑到用电器常使用电冰箱，根据电冰箱的特性，市电切断后再供电，需要延长一段时间才可恢复供电。延时电路通过调节电阻R3阻值调整延时值。增加电阻R3的阻值可延长限制器装置的延时时间，说明书元器件表中的推荐值延时时长约为5分钟。
技术参数
市电工作电压：180～250V(交流)；
电路工作电压：12V(直流)；
静态工作功率：0.8W；
负载功率范围：80～3000W；
最大负载电流：16A；
恢复供电延时时间：设定5分钟；
外观尺寸：长86mm×宽86mm×厚51mm(86型)。

Claims (2)

1.一种微功耗用电器功率限制装置，由低电压直流稳压电源、取样电路、延时电路、控制及动作执行电路、动作执行指示电路组成，其特征是：
(1)取样电路中的低频电感(TL)用交流变压器的铁芯线绕制；
(2)延时电路由电位器(RP)、电解电容C3、C4和硅三极管BG1、电阻R3组成，二极管D3的负极接电解电容C3的正极，电解电容C3的负极接电路地N，电位器(RP)的一端与硅三极管BG1的基极和电解电容C4的正极相连，硅三极管BG1的发射极接电阻R3的一端，电阻R3的另一端和电解电容C4的负极接电路地N；
(3)取样电路由低频电感(TL)、二极管D3和电解电容C3组成，低频电感(TL)的一端接用电器供电电源接口和二极管D3的正极，二极管D3的负极接电解电容C3的正极和电位器(RP)的另一端，低频电感(TL)的另一端和电解电容C3的负极接电路地N。
2.根据权利要求1所述的微功耗用电器功率限制装置，其特征是：控制及动作执行电路由硅三极管BG1、硅三极管BG2、电阻R2、电阻R4、继电器J及二极管D5组成，硅三极管BG1的集电极与电阻R2的一端、电阻R4的一端相连，电阻R2的另一端接电源正极VCC，电阻R4的另一端接硅三极管BG2的基极，硅三极管BG2的集电极接电源正极VCC，硅三极管BG2的发射极接继电器J线圈的一端和二极管D5的负极，继电器J线圈的另一端与二极管D5的正极接电路地N。
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