CN107465170B - 一种电子式保护器及其保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子式保护器其保护方法，由感知单元和控制单元组成。感知单元包括热敏电阻和电流互感器；控制单元包括单片机、双向可控硅、光电耦合器、比较器及若干电阻器。当温度异常时，热敏电阻的电阻值发生变化，从而调节双向可控硅的触发电流使其关断电机回路，达到过温保护的目的。当电流异常时，电流互感器所感知的电流异常信号通过电路转换成电压信号，输入比较器的正向输入端，与反向输入端的基准电压进行比较，比较器输出控制信号至单片机，单片机经信号处理后控制光电耦合器切断双向可控硅触发信号，使其关断电机回路，从而达到过流保护的目的。

Description

一种电子式保护器及其保护方法

技术领域

本发明涉及一种电子式保护器其保护方法，实现电机过热和过流保护。

背景技术

目前的制冷压缩机均配套一个热保护器，热保护器主要用于制冷压缩机过温升、过电流保护。使用时，将热保护器紧贴在制冷压缩机外壳或电机绕组上，当制冷压缩机通过大电流时，热保护器内部发热元件瞬间产生较大热量引起双金属片弯曲翻转，并使动触头断开，起到过载电流的保护作用；此外，当制冷压缩机由于某种原因长时间运转，致使压缩机外壳或电机绕组温度过高，再加上热保护器内部发热元件产生热量叠加后促使双金属片受热弯曲翻转，并使动触头断开，起到过温升的保护作用。因过电流和过温升而弯曲翻转的双金属片，当所处的环境温度低于双金属片设定的复位温度后，双金属片会自动复位，使热保护器重新进入工作状态。

目前在电冰箱、空调压缩机等领域大量使用的热保护器有内置式和外置式两种，随着激烈的市场竞争，为降低压缩机设计成本，压缩机体积越来越小，同时为了延长压缩机的使用寿命，确保压缩机的堵转温升和适应特定恶劣环境如中东高温环境，压缩机在设计时往往考虑降低堵转电流(ST)和提高过负荷电流(UT)的技术手段，配套的热保护器ST/UT比例在不断缩小，这样使得内置式和外置式热保护器制造难度加大，有些情况下根本就无法制造。如果ST和UT无法满足要求，当压缩机使用在高温环境或电压波动较大的地区时，会造成保护器误保护或不保护的情况；再者，由于机械式保护器通断采用机械触点控制，工作时触点处于导通状态，长时间工作在不良环境会使触点发热粘结、表面发黑，从而导致触点接触不良甚至不通，或触点不能断开的情况，这些情况轻则会造成不能正常工作，重则会引起一些灾害。而且，机械式保护器在制造时因材料及工艺控制等因素造成最终参数离散较大（如动作时间和复位时间）。

申请人申请了专利号为201220135551.5的中国专利，其结构设计合理，能给予电机全面有效的保护，在电机出现过载、堵转、短路、过压、欠压、漏电、缺相、三相不平衡、过热等情况时，执行保护动作。其工作原理是通过取样元件监测电机运行过程中上述需要保护的各项参数，并进行信号取样、信号处理，一旦超出电子式电动机保护器所设置的范围，即执行保护动作。但其仍然可以改进，使得性能更可靠、使用寿命更长。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理的性能更可靠、使用寿命更长的电子式保护器其保护方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种电子式保护器，其特征在于：包括感知单元和控制单元；感知单元包括热敏电阻和电流互感器；控制单元包括单片机、双向可控硅、光电耦合器和比较器；电流互感器初级一端用于连接电机，电流互感器初级另一端连接双向可控硅的T2端和光电耦合器的6脚；电流互感器次级一端连接比较器的正向输入端，电流互感器次级另一端用于连接直流电源负极；比较器的反向输入端用于连接基准电压，比较器的输出端连接单片机的I端；光电耦合器的4脚连接双向可控硅的G端，光电耦合器的2脚连接单片机的O端；双向可控硅的T1端用于连接交流电源的N端；光电耦合器的1脚用于连接直流电源正极；

所述的热敏电阻为正温度系数热敏电阻时，其连接结构为以下两种中的一种：

结构一：该正温度系数热敏电阻的一端与电流互感器初级的另一端连接，且电流互感器初级的该端为与双向可控硅T2端连接的一端，正温度系数热敏电阻另一端连接光电耦合器的6脚，即电流互感器初级另一端通过正温度系数热敏电阻与光电耦合器的6脚连接；

结构二：该正温度系数热敏电阻一端连接光电耦合器的1脚，正温度系数热敏电阻另一端用于连接直流电源正极，即光电耦合器的1脚通过正温度系数热敏电阻连接直流电源正极；

所述的热敏电阻为负温度系数热敏电阻时，其连接结构为：负温度系数热敏电阻一端连接光电耦合器的1脚及用于连接直流电源正极，负温度系数热敏电阻另一端用于连接直流电源负极。

本发明还包括一号分压电阻和二号分压电阻；电流互感器次级一端连接一号分压电阻一端，一号分压电阻的另一端连接比较器正向输入端，电流互感器次级一端通过一号分压电阻连接比较器的正向输入端；电流互感器次级另一端连接二号分压电阻一端；一号分压电阻的另一端连接二号分压电阻的另一端。

本发明还包括限流电阻；

当所述的热敏电阻的连接结构为结构一时，限流电阻一端连接光电耦合器的1脚，限流电阻另一端用于连接直流电源正极，光电耦合器的1脚通过限流电阻连接直流电源正极；

当所述的热敏电阻的连接结构为结构二或者所述的热敏电阻为负温度系数热敏电阻时，限流电阻的一端与电流互感器初级的一端连接，限流电阻另一端连接光电耦合器的6脚，电流互感器初级的一端通过限流电阻与光电耦合器的6脚连接。

本发明所述的热敏电阻为负温度系数热敏电阻时，还包括三号分压电阻；三号分压电阻一端连接光电耦合器的1脚和负温度系数热敏电阻一端，三号分压电阻另一端用于连接直流电源正极，光电耦合器的1脚通过三号分压电阻连接直流电源正极。

一种电子式保护器的保护方法，其特征在于：步骤如下：

电机正常运行过程为：交流电源上电后，单片机得到上电信号，控制其O端保持低电平，接通直流电源负极；由直流电源正极、光电耦合器内的发光器件、单片机MCU的O端、直流电源负极构成的光电耦合器输入控制回路产生电流，该电流使光电耦合器内的发光器件发光，从而使光电耦合器的光敏器件接通；交流电源的L端、电机、电流互感器初级、光电耦合器的光敏器件、双向可控硅的G端和T1端、交流电源的N端构成双向可控硅的触发控制回路，触发双向可控硅的T2端和T1端之间导通，使电机正常运行；

电流互感器的保护过程如下：

电机运行在正常工作电流时比较器正向输入端的感知电压不大于比较器反向输入端的基准电压；当电机因异常而工作电流增大时，电流互感器初级电流增大，次级感应电流相应增大，输入到比较器IC1正向输入端的感知电压也增大，此感知电压为与交流电源周期相同的交流正弦波电压，基准电压为直流固定电平电压，感知电压中电平大于基准电压固定电平的区间时比较器输出端输出高电平，从而在输出端产生与交流电源周期相同的矩形脉冲波，输入到单片机的I端，单片机接收到该矩形脉冲波后，对矩形脉冲波进行计数，所计得的矩形脉冲波数其实也是交流电源周期数，因为每个交流正弦波周期只会出现一个矩形波脉冲，因交流电源周期时间是固定的，所以可通过换算得到延迟时间；当延迟时间达到设定的时间时，单片机的O端会输出高电平，使光电耦合器的输入控制回路无电流，光电耦合器的发光器件不发光，光电耦合器的光敏器件不导通，双向可控硅无触发电流而切断，电机停止运行；

热敏电阻的保护过程如下：

所述的热敏电阻为正温度系数热敏电阻，其连接结构为结构一时：电机运行在正常温度时双向可控硅的触发电流大于维持电流；当电机因异常而温度升高时，正温度系数热敏电阻的电阻逐渐增大，触发电流逐渐减小，当小于其维持电流时，双向可控硅的T2端和T1端之间关断，电机停止运行；

所述的热敏电阻为正温度系数热敏电阻，其连接结构为结构二时：电机运行在正常温度时，光电耦合器输入控制回路的电流足够触发其发光器件发光，从而使光电耦合器的光敏器件导通，使双向可控硅触发导通，电机正常工作；当电机因异常而温度升高时，正温度系数热敏电阻的电阻逐渐增大，光电耦合器的输入控制回路的电流逐渐减小，当电流不能维持发光器件发光，光电耦合器的光敏器件关断，双向可控硅因无触发电流而使T2端和T1端之间关断，电机停止运行；

所述的热敏电阻为负温度系数热敏电阻时：电机运行在正常温度时，光电耦合器内的发光器件发光，从而使光电耦合器的光敏器件导通，使双向可控硅触发导通，电机正常工作；当电机因异常而温度升高时，负温度系数热敏电阻的电阻逐渐减小，光电耦合器的输入控制回路的电流逐渐减小，当电流不能维持发光器件发光，光电耦合器的光敏器件关断，双向可控硅因无触发电流而使T2端和T1端之间关断，电机停止运行。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：针对常规的双金属片式温度电流复合型保护器所存在特定要求时制造难度大、难以适应各种恶劣环境、以及机械触点所存在的弊端，本发明能解决以上问题，且功能齐全、性能可靠、参数设置方便。本发明保护参数可通过软件或硬件的设定而随意设置，解决了热保护器ST和UT难于兼顾的问题，杜绝电机使用在各种恶劣环境时出现误保护或不保护现象。本发明工作原理是通过感知单元获取在电机工作时电流或温度的异常信号，通过电路转换和控制，关断或减小双向可控硅的触发电流，从而切断电机工作回路，达到保护的目的。本发明设计合理，功能齐全，能给予电机全面有效的保护，在电机过载、堵转、短路、缺相、过热时，执行保护动作。

附图说明

图1为本发明实施例1的电路图。

图2为本发明实施例2的电路图。

图3为本发明实施例3的电路图。

图4为本发明比较器输入端的波形。

图5为本发明比较器输出端的波形。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：

本发明包括感知单元和控制单元。感知单元包括热敏电阻和电流互感器CT。控制单元包括单片机MCU、双向可控硅T、光电耦合器IC2、比较器IC1、一号分压电阻R1、二号分压电阻R2和限流电阻R3。

电流互感器CT初级一端连接电机RL的一端，电流互感器CT初级另一端连接双向可控硅T的T2端和光电耦合器的6脚。电流互感器CT次级一端连接一号分压电阻R1一端，一号分压电阻R1的另一端连接比较器IC1正向输入端，电流互感器CT次级一端通过一号分压电阻R1连接比较器IC1的正向输入端；电流互感器CT次级另一端连接二号分压电阻R2一端及直流电源负极Vss；一号分压电阻R1的另一端连接二号分压电阻R2的另一端。比较器IC1反向输入端连接基准电压Uref，比较器IC1输出端连接单片机MCU的I端。光电耦合器IC2的4脚连接双向可控硅T的G端，光电耦合器IC2的2脚连接单片机MCU的O端；双向可控硅T的T1端连接交流电源Uac的N端；光电耦合器IC2的1脚连接直流电源正极Vcc。

电流互感器CT、一号分压电阻R1、二号分压电阻R2、比较器IC1组成电机过流保护电路。

热敏电阻为正温度系数热敏电阻PTC，正温度系数热敏电阻PTC的一端与电流互感器CT初级的一端连接，电流互感器CT初级的该端与双向可控硅T的T2端连接，正温度系数热敏电阻PTC另一端连接光电耦合器IC2的6脚，即电流互感器CT初级另一端通过正温度系数热敏电阻PTC与光电耦合器的6脚连接。限流电阻R3一端连接光电耦合器IC2的1脚，限流电阻R3另一端连接直流电源正极Vcc，即光电耦合器IC2的1脚通过限流电阻R3连接直流电源正极Vcc。

热敏电阻的作用是感知电机RL运行时的温度；电流互感器CT的作用是感知电机RL运行时的电流；一号分压电阻R1和二号分压电阻R2对电流互感器CT次级的电流感知信号进行分压，将电流信号转换成感知电压信号；比较器IC1的作用是将感知电压Ug和基准电压Uref进行比较，在输出端输出比较结果信号；单片机MCU的作用是接收比较器IC1输出的比较结果信号，经延时处理后输出控制信号至光电耦合器IC2的2脚；光电耦合器IC2的作用是隔离双向可控硅T的交流高压和输入端的直流低压控制信号；限流电阻R3的作用是调节光电耦合器IC2输入控制回路的电流，起限流作用；双向可控硅T的作用是接通或关断电机回路，是保护的最终执行器件。

一种电子式保护器的保护方法，热敏电阻为温度感知元件，当温度异常时，热敏电阻的电阻值发生变化，从而调节双向可控硅T的触发电流使其关断电机回路，达到过温保护的目的；电流互感器CT为电流感知元件，当电流异常时，电流互感器CT所感知的电流异常信号通过电路转换成电压信号，输入比较器IC1的正向输入端，与反向输入端的基准电压进行比较，比较器IC1输出控制信号至单片机MCU，单片机经信号处理后控制光电耦合器IC2切断双向可控硅T触发信号，使其关断电机回路，从而达到过流保护的目的。

具体步骤如下：

电机正常运行过程为：交流电源Uac上电后，单片机MCU得到上电信号，控制其O端保持低电平，即接通直流电源负极Vss。由直流电源正极Vcc、光电耦合器IC2内的发光器件、单片机MCU的O端、直流电源负极Vss构成的光电耦合器输入控制回路产生电流，该电流使光电耦合器IC2内的发光器件发光，从而使光电耦合器IC2的光敏器件接通；交流电源Uac的L端、电机RL、电流互感器CT初级、正温度系数热敏电阻PTC、光电耦合器IC2的光敏器件、双向可控硅T的G端和T1端、交流电源Uac的N端构成双向可控硅T的触发控制回路，触发双向可控硅T的T2端和T1端之间导通，接通电机回路，使电机RL正常运行。

电流互感器的保护过程如下：

通过选用合适参数的电流互感器CT、一号分压电阻R1、二号分压电阻R2，确保电机RL运行在正常工作电流时比较器IC1正向输入端的感知电压Ug不会大于比较器IC1反向输入端的基准电压Uref。当电机RL因异常而工作电流增大时，电流互感器CT初级电流增大，次级感应电流相应增大，通过一号分压电阻R1和二号分压电阻R2的分压，输入到比较器IC1正向输入端的感知电压Ug也增大，此感知电压为与交流电源周期相同的交流正弦波电压，基准电压Uref为直流固定电平电压，根据比较器IC1的工作原理，当正向输入端的的电平大于反向输入端的电平时，输出端就会输出高电平，所以感知电压中电平大于基准电压固定电平的区间时比较器IC1输出端会输出高电平，从而在输出端产生与交流电源周期相同的矩形脉冲波，参见图4和图5，输入到单片机MCU的I端，单片机MCU接收到矩形脉冲波后，对矩形脉冲波进行计数，所计得的矩形脉冲波数其实也是交流电源周期数，因为每个交流正弦波周期只会出现一个矩形波脉冲，因交流电源周期时间是固定的，所以可通过换算得到延迟时间。当延迟时间达到软件设定的时间时，单片机MCU的O端会输出高电平，使光电耦合器IC2输入控制回路无电流，其内部发光器件不发光，光电耦合器IC2的光敏器件不导通，双向可控硅T无触发电流而切断电机回路，电机RL停止运行。

热敏电阻的保护过程如下：

通过选用合适参数的正温度系数热敏电阻PTC，确保电机RL运行在正常温度时双向可控硅T的触发电流大于维持电流，当电机RL因异常而温度升高时，正温度系数热敏电阻PTC的电阻逐渐增大，触发电流逐渐减小，当小于其维持电流时，双向可控硅T的T2端和T1端之间关断，电机RL停止运行。

实施例2：

本实施例与实施1的区别在于：

限流电阻R3的一端与电流互感器CT初级的一端连接，电流互感器CT初级的该端为与双向可控硅T的T2端连接的一端，限流电阻R3另一端连接光电耦合器IC2的6脚，即电流互感器CT初级一端通过限流电阻R3与光电耦合器的6脚连接。正温度系数热敏电阻PTC一端连接光电耦合器IC2的1脚，正温度系数热敏电阻PTC另一端连接直流电源正极Vcc，光电耦合器IC2的1脚通过正温度系数热敏电阻PTC连接直流电源正极Vcc。

热敏电阻的保护过程如下：通过选用合适参数的正温度系数热敏电阻PTC，确保电机RL运行在正常温度时，光电耦合器IC2输入控制回路的电流足够触发其发光器件发光，从而使光电耦合器IC2的光敏器件导通，使双向可控硅T触发导通，电机正常工作。当电机因异常而温度升高时，正温度系数热敏电阻PTC的电阻逐渐增大，光电耦合器IC2输入控制回路的电流逐渐减小，当电流不能维持发光器件发光，光电耦合器IC2的光敏器件关断，双向可控硅T因无触发电流而使T2端和T1端之间关断，电机RL停止运行。

实施例3：

本实施例与实施2的区别在于：所述的热敏电阻为负温度系数热敏电阻NTC，且增加了三号分压电阻R4。三号分压电阻R4一端连接光电耦合器IC2的1脚和负温度系数热敏电阻NTC一端，三号分压电阻R4另一端连接直流电源正极Vcc，光电耦合器IC2的1脚通过三号分压电阻R4连接直流电源正极Vcc；负温度系数热敏电阻NTC另一端连接直流电源负极Vss。

热敏电阻的保护过程如下：直流电源正极Vcc、三号分压电阻R4、负温度系数热敏电阻NTC、直流电源负极Vss构成分压电路，其分压大小取决与负温度系数热敏电阻NTC的电阻变化。通过选用合适参数的负温度系数热敏电阻NTC，确保电机RL运行在正常温度时，负温度系数热敏电阻NTC和三号分压电阻R4的分压足够触发光电耦合器IC2内的发光器件发光，从而使光电耦合器IC2的光敏器件导通，使双向可控硅T触发导通，电机RL正常工作。当电机因异常而温度升高时，负温度系数热敏电阻NTC的电阻逐渐减小，负温度系数热敏电阻NTC和三号分压电阻R4的分压也逐渐减小，使光电耦合器IC2输入控制回路的电流逐渐减小，当该电流小到不能维持发光器件发光时，光电耦合器IC2的光敏器件关断，双向可控硅T因无触发电流而使T2端和T1端之间关断，电机RL停止运行。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明；而且，本发明各部分所取的名称也可以不同，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。

Claims (1)

1.一种电子式保护器的保护方法，其特征在于：

所述的电子式保护器包括感知单元和控制单元；感知单元包括热敏电阻和电流互感器；控制单元包括单片机、双向可控硅、光电耦合器和比较器；电流互感器初级一端用于连接电机，电流互感器初级另一端连接双向可控硅的T2端和光电耦合器的6脚；电流互感器次级一端连接比较器的正向输入端，电流互感器次级另一端用于连接直流电源负极；比较器的反向输入端用于连接基准电压，比较器的输出端连接单片机的I端；光电耦合器的4脚连接双向可控硅的G端，光电耦合器的2脚连接单片机的O端；双向可控硅的T1端用于连接交流电源的N端；光电耦合器的1脚用于连接直流电源正极；

所述的热敏电阻为正温度系数热敏电阻时，其连接结构为以下两种中的一种：

结构一：该正温度系数热敏电阻的一端与电流互感器初级的另一端连接，且电流互感器初级的该端为与双向可控硅T2端连接的一端，正温度系数热敏电阻另一端连接光电耦合器的6脚，即电流互感器初级另一端通过正温度系数热敏电阻与光电耦合器的6脚连接；当电机因异常而温度升高时，正温度系数热敏电阻的电阻逐渐增大，触发电流逐渐减小，当小于其维持电流时，双向可控硅的T2端和T1端之间关断，电机停止运行；

结构二：该正温度系数热敏电阻一端连接光电耦合器的1脚，正温度系数热敏电阻另一端用于连接直流电源正极，即光电耦合器的1脚通过正温度系数热敏电阻连接直流电源正极；当电机因异常而温度升高时，正温度系数热敏电阻的电阻逐渐增大，光电耦合器的输入控制回路的电流逐渐减小，当电流不能维持发光器件发光，光电耦合器的光敏器件关断，双向可控硅因无触发电流而使T2端和T1端之间关断，电机停止运行；

所述的热敏电阻为负温度系数热敏电阻时，其连接结构为：负温度系数热敏电阻一端连接光电耦合器的1脚及用于连接直流电源正极，负温度系数热敏电阻另一端用于连接直流电源负极；当电机因异常而温度升高时，负温度系数热敏电阻的电阻逐渐减小，光电耦合器的输入控制回路的电流逐渐减小，当电流不能维持发光器件发光，光电耦合器的光敏器件关断，双向可控硅因无触发电流而使T2端和T1端之间关断，电机停止运行；

所述的保护方法步骤如下：

电机正常运行过程为：交流电源上电后，单片机得到上电信号，控制其O端保持低电平，接通直流电源负极；由直流电源正极、光电耦合器内的发光器件、单片机MCU的O端、直流电源负极构成的光电耦合器输入控制回路产生电流，该电流使光电耦合器内的发光器件发光，从而使光电耦合器的光敏器件接通；交流电源的L端、电机、电流互感器初级、光电耦合器的光敏器件、双向可控硅的G端和T1端、交流电源的N端构成双向可控硅的触发控制回路，触发双向可控硅的T2端和T1端之间导通，使电机正常运行；

电流互感器的保护过程如下：

电机运行在正常工作电流时比较器正向输入端的感知电压不大于比较器反向输入端的基准电压；当电机因异常而工作电流增大时，电流互感器初级电流增大，次级感应电流相应增大，输入到比较器正向输入端的感知电压也增大，此感知电压为与交流电源周期相同的交流正弦波电压，基准电压为直流固定电平电压，感知电压中电平大于基准电压固定电平的区间时比较器输出端输出高电平，从而在输出端产生与交流电源周期相同的矩形脉冲波，输入到单片机的I端，单片机接收到该矩形脉冲波后，对矩形脉冲波进行计数，所计得的矩形脉冲波数其实也是交流电源周期数，因为每个交流正弦波周期只会出现一个矩形波脉冲，因交流电源周期时间是固定的，所以可通过换算得到延迟时间；当延迟时间达到设定的时间时，单片机的O端会输出高电平，使光电耦合器的输入控制回路无电流，光电耦合器的发光器件不发光，光电耦合器的光敏器件不导通，双向可控硅无触发电流而切断，电机停止运行；

热敏电阻的保护过程如下：

所述的热敏电阻为正温度系数热敏电阻，其连接结构为结构一时：电机运行在正常温度时双向可控硅的触发电流大于维持电流；当电机因异常而温度升高时，正温度系数热敏电阻的电阻逐渐增大，触发电流逐渐减小，当小于其维持电流时，双向可控硅的T2端和T1端之间关断，电机停止运行；

所述的热敏电阻为正温度系数热敏电阻，其连接结构为结构二时：电机运行在正常温度时，光电耦合器输入控制回路的电流足够触发其发光器件发光，从而使光电耦合器的光敏器件导通，使双向可控硅触发导通，电机正常工作；当电机因异常而温度升高时，正温度系数热敏电阻的电阻逐渐增大，光电耦合器的输入控制回路的电流逐渐减小，当电流不能维持发光器件发光，光电耦合器的光敏器件关断，双向可控硅因无触发电流而使T2端和T1端之间关断，电机停止运行；

所述的热敏电阻为负温度系数热敏电阻时：电机运行在正常温度时，光电耦合器内的发光器件发光，从而使光电耦合器的光敏器件导通，使双向可控硅触发导通，电机正常工作；当电机因异常而温度升高时，负温度系数热敏电阻的电阻逐渐减小，光电耦合器的输入控制回路的电流逐渐减小，当电流不能维持发光器件发光，光电耦合器的光敏器件关断，双向可控硅因无触发电流而使T2端和T1端之间关断，电机停止运行。

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