CN2045546U - 全自动多功能电器保护器 - Google Patents

Abstract

全自动多功能电器保护器为一种电气紧急自动保护装置。它将过流保护、瞬时断电保护、过压、欠压保护和异常情况提示、报警等融为一体。由于设有过电流反时限特性形成器和采用了有回差甄别的过压、欠压判别器，因此比现有的电子保安产品有更为良好的自动保护性能。本实用新型功能全、体积小、功耗及成本低，适用于各种使用交流电源的场所，可保障电器的安全和正常运行。

Description

本实用新型属一种电气紧急自动保护装置，适用于各种使用交流电源的场所，可保障电器的安全和正常运行。

为保证电器安全运行及仪器、仪表和计算机的可靠工作，不仅对工作电流和输出功率有一定的限额，而且对供电电压的等级和允许波动范围也有规定。若超出允许范围，无论是过高或过低都会对电器造成不同程度的损害，轻则影响其使用寿命，重则会造成永久性损坏。仪器、仪表及计算机则有可能显示出错误的结果。瞬时断电现象（指短时间内一次或多次重复供电——断电——供电的过程）则是某些用电器所不允许的。如：电冰箱和正在工作或正在进行程序输入、程序调试的微型计算机等即属于此类用电器。

在现有的低压小功率电器、仪器、仪表等整机中、多数仅用熔断器作为保护元件，也有的用双金属片、晶体管过流速断器和各种电磁继电器作为过流、过载的保护。上述各保护方法的不足之处在于：只是提供了单一的功能，保护元件有的只能使用一次，有的保护速度慢，重现性差，或者自身功耗大，需消耗大量的有色金属等等。对于过电压，低电压及瞬时断电现象，多数电器内完全没有设置专门的保护或对上述异常供电状态的提示、报警。家用电器保安类产品市场上已有数种，其质量、功能各异。但对过电流、过载的保护多为越限速断型和越限定时型。然而，很多电器都有一定的过载能力，与额定值相比较，过载越甚，允许持续的时间就越短。因此，对过电流、过载方面的保护应呈反时限特性较为合理。此外，当供电电压在保护点附近波动时，这类保安产品还常常会频繁动作而影响保护性能（如中国专利文献CN85204183U所实际完成了设计的可实施线路）。

本实用新型的目的在于克服已有技术的上述缺点，提供一种将反时限特性过流保护、瞬时断电保护及供电电压过压、欠压保护等触为一体的高性能的全自动多功能电器保护装置。

本实用新型的内容是：是否向用电器供电由控制电路来识别，其控制信息分别是：电压过高、电压过低，电源瞬时断电及过载或过流（可以是内部或外部原因造成）。只要其中任何一个或一个以上的信息存在则立即自动切断电源（执行器可以由有触点或无触点开关组成），实现对电器的有效保护。在执行保护期间，该装置进行实时监测，直到引起执行保护的因素解除约5～10分钟后，自动解除保护恢复供电。因过电流而执行保护后该装置不允许自动复位，只有当查明原因并排除故障后，靠手动解除保护。此外，均为正常供电状态，可保障电器安全可靠地运行。

图1为本实用新型的原理框图。交流电经电流取样器〔B〕和执行器〔Q〕输出，给用电器供电。还有一路送到保护器的电源〔W〕。〔W〕的输出有两个，一个是提供给电子线路的工作电源，另一个送往电压取样器〔X₁〕，得到与供电电压大小成正比的电压信号，再送往过电压判别器〔J₁〕和低电压判别器〔J₂〕（均采用有回差甄别器），判定其是否越限。越限信息送往控制器〔K〕，使执行器〔Q〕立即切断电源停止供电。当出现过电流或过载现象时，电流取样器〔B〕把信号经Ⅰ－V变换器〔X₂〕送入过电流反时限特性形成器〔F〕，该电路按电流的大小，以反时限规律发出信息给控制器〔K〕，使执行器〔Q〕切断电源，从而实现了对用电器的保护。指示器〔Z〕是作为保护器在过电流、过电压、低电压及瞬时断电状态下的指示。

同现有的多功能全自动电器保护器相比，本实用新型的优点是其过流保护具有反时限特性，并且可防止当供电电压在保护点附近波动时，装置会频繁执行保护的现象（由于采用了有回差甄别器），从而具有优良的保护性能。此外功能多、体积小、功耗低，可提供必要的异常状态报警指示。

图1为本实用新型的原理框图。

图2为本实用新型的一种实施电路图。

按图2制作的保护器用于对电冰箱、电视机、仪器、仪表及计算机等多种电器的保护和电源出现异常时的报警，得到了满意的效果。以下通过对该实施电路的叙述进一步说明本实用新型。

图中Y₁～Y₉是CMOS集成电路的与非门和反相器，可用C000、CH4000、CC4000等系列的器件。因本实施例中负载均在500W以下，所以执行器〔Q〕用小型密封继电器J。电流取样器〔B〕为电流互感器B。AN是过流保护解除开关。指示器〔Z〕由LED₁～LED₃，R₇、R₁₃组成。各指示器所表示的状态是：LED₁亮（绿色）表示正常供电，LED₂亮（黄色）表示电网供电电压波动并超出用电器的允许范围，或是电压出现瞬断；LED₃亮（红色）表示用电器发生过流或过载；若LED₁～LED₃都不亮则表示电网停止供电。电源〔W〕由D₁～D₄、C₁、C₂、C₅、DW₂、R₂、R₁₅组成。DW₂一方面提供保护器稳定的工作电压，另一方面使得用电容降压（C₁）能安全地用于比较娇嫩的CMOS集成块。过电压判别器〔J₁〕和低电压判别器〔J₂〕由Y₁～Y₃，R₃～R₆组成。过电流反时限形成器〔F〕由Y₅、Y₆、Y₈、Y₉、D₆、D₇、D₁₀、C₆、C₇、R₁₀～R₁₂、R₁₆、R₁₇组成。控制器〔K〕由Y₄、Y₇、BG₁、D₈、C₄、R₈、R₉组成。电压取样器〔X₁〕由DW₁、W₁、W₂、R₁、C₃组成。DW₁主要起提高电压取样灵敏度的作用。Ⅰ－V变换器〔X₂〕由R₁₄、D₅、W₃组成。在各种情况下电路工作状态如下表所列：

注：LED为“1”时表示发光，为“0”时表示熄灭。保护状态为“1”时表示执行保护；为“0”时表示正常供电。

交流供电电源由A、N点输入，经电流取样器〔B〕后由〔J〕控制输出给用电器，交流电源的另一路经C₁降压后，供给整流滤波电路得到一个与交流供电电压成正比的直流电压，这个电压经DW₁、R₁后分别由W₁、W₂取出过压和欠压信号，并且在DW₂的两端得到一个稳定的直流电压，给保护器做为工作电源。其中W₁是过压取样整定器，W₂是欠压取样整定器。当交流电网正常供电时，由于将取样信号分别整定为：过压信号是“0”态（小于由Y₁、Y₂、R₅、R₆所构成的过压甄别器的触发电平），欠压信号是“1”态（大于由Y₂、Y₂、Y₃、R₃、R₄所构成的欠压甄别器的触发电平），因此，图2中各点的初始工作状态如真值表中正常一拦所示。此时用电器将按照它自己的正常工作过程连续工作。

当电网电压升高并超过所整定的过压保护点时，由W₂取出的欠压信号仍为“1”态，但过压取样信号则（W₁整定）由“0”变为“1”（高于过压甄别器的触发电平），使a点由“1”变“0”，b点“0”变“1”，适当调整R₅／R₆的值，不仅可以改变过压保护特性（回差），而且R₆给甄别器提供了一个反馈信号，使甄别器的翻转也更为干脆了。b点的“1”态经Y₃反相后，c点由“1”变“0”，这样延时电容C₄将把在初始状态时储存的电荷经D₈、Y₃对地泄放，使d点由“1”态跳变为“0”态，延时电路关闭。d点的“0”态通过Y₄后，使e点由“0”变“1”，从而Y₇的输出变低，使LED₂发光，表示电网供电异常。同时在e点的作用下使BG₁管截止，LED₁熄灭，〔J〕失电。这样就切断了对用电器的供电，使之免受过压的危害。此后，保护器将对电网的供电电压进行监测，待电网供电正常，并且低于所整定的过压保护值时（低多少由保护回差确定），a点翻转为“1”，b点翻转为“0”，c点翻转为“1”。这样D₈被反偏阻断，C₄的泄放回路也被阻断了，但是，d点暂时仍为“0”态，用电器还不能得到工作电源。至此，由于c点的升高，延时电路被打开，保护器进入延时工作期。若不再发生供电异常则C₄通过R₃被充电，d点电位将按指数规律上升，升高到等于Y₄的触发电平时，e点由“1”变“0”，Y₇的输出变高，LED₂熄灭，BG₁管在e点的作用下饱和导通，使〔J〕吸合，用电器得到工作电源，从而确保了用电器不应在规定的时间内重复接通电源。同时LED₁亮，表示电网供电已正常，用电器已在保护器的监护下投入正常运行。

当电网电压低于所整定的欠压保护值时，在欠压取样信号的作用下（由W₂整定），使欠压甄别器翻转，b点由“0”变“1”，c点由“1”变“0”，迫使延时电路关闭。以后的工作情况与过压保护时相同。对于瞬断保护，则可将瞬断这一过程看成是电网由正常供电而变成电压迅速下降的瞬变过程。因此，其工作情况与欠压保护时完全一样。

过流保护的负载电流信号由〔B〕取出。经R₁₄、W₃进行Ⅰ－V变化，D₅削去其负半周，正半周从过流整定器W₃取出并经C₇滤波后送往反时限特性形式器（由Y₈、Y₉、D₁₀、C₆、R₁₆、R₁₇、R₁₀组成）。正常时，W₃取出的信号较小，故U₁点电位低于Y₃的触发电平，此时，Y₉输出为“0”态，C₆通过D₁₀、R₁₇和Y₉对地被拉成低电平，由R₁₀、C₆构成的时限电路不能工作（C₆设有被充电）。这样就使f点为“1”，Y₆输出为“0”，LED₃不亮，表示负载电流正常。当负载电流增大，并大于整定值时，电流信号U₁高于Y₈的触发电平，Y₈、Y₉随之翻转，Y₉的输出变“1”后，二极管D₁₀闭锁，经滤波后的负载电流信号U₁通过R₁₀向C₆充电，时限电路开始工作。当C₆两端的电压高于Y₅的触发电平时，f点由“1”变“0”，e点由“0”变“1”，BG₁管截止，〔J〕失电并切断对用电器的供电。在f点的作用下Y₆的输出由“0”变“1”后，LED₃亮，表示负载出现过流现象，同时将通过R₁₂、D₇、R₁₁继续向C₆补充电荷。这样就使f点的状态，在负载因保护而被切断后，仍能保持“0”态，从而避免了用电器因内部或外部原因而可能出现的重复过流现象。当故障被排除后，需由按钮AN复位解除保护。

本例中各元件的参数如下：

D_1－4：IN4001、IN4002

D₅、D₆、D₈、D₉：2CP

D₇、D₈：2CK

DW₁、DW₂：2DW、2CW

BG₁：3CG

LED₁、LED₂、LED₃：2ZF101

C₁：0.22－1μf／400V

C₂、C₃、C₄、C₅、C₇：10－100μf

R₁、R₉、R₁₄：1－3.3K

R₄、R₆、R₁₂、R₁₅、R₁₆、：1－5.1MΩ

R₇、R₁₃：4.7－20K

R₁₁： 100K

W₁、W₂、W₃：10－100K

R₂：100－－820Ω／1W

B、J        ：根据负载功率选用

R₃、R₅、R₈、R₁₀、C₆：根据需要的保护特性整定

集成电路可选用CO36、CO33、CH4011、CH4009、CC4011和CC4049等型号的器件。

该保护器的外形尺寸为：长100mm、宽70mm、高40mm。使用时只需将其底部插头插入室内已有的电源插座上，再把用电器插头插入保护器上的插座，待绿灯亮时，用电器即在该保护器的监护下投入运行。

本实例利用了CMOS器件所特有的优点，简化了整个设计。用较少的外围元件组成了具有长延时特性的时控单元和直接驱动的低功耗LED显示器，并采用了电容降压取样方式，使保护器的结构紧凑，其自身功耗＜1W。保护器对电源波动的适应能力很强。电压在140－300V之间变化时均能正常工作。过电压、低电压判别器采用有回差甄别器、保护值（上限触发电平）和回差（上限触发电平减下限触发电平）的大小可根据需要整定。在本例中电压异常保护分别整定为：过电压保护值245±3V，回差－15V；低电压保护值176V±3V，回差20V。由于设置了回差，既满足了用电器对电源电压的要求。而且当供电电压在保护点附近波动时，有效地防止了保护器频繁执行保护的现象。过电流反时限特性形成器的保护时限由R₁₀·C₆·ln (U₁)/(U₁- U_Y5) 式决定，式中U₁是Ⅰ－V变换器的输出与负载电流成正比。U_r5是反相器Y₅的触发阀电压。因此，为得到不同的保护特性，只需改变R₁₀或C₆即可满足多种负载的要求。在本例中额定电流整定在I_H＝2A，各种过电流情况时的保护动作时限是：1.2I_H时约70秒；1.5I_H时约30秒；2I_H时约15秒；5I_H时约3秒，上述各保护的断电时间均＜50ms。

本保护器不但能够作为电器的外部附件来使用，而且也可以很方便地移植到电器产品中去。

Claims (5)

1、一种全自动多功能电器保护器，其特征在于：交流电经电流取样器[B]和执行器[Q]输出，给用电器供电，还有一路交流电送到保护器的电源[W]，[W]的输出有两个，一个是提供给电子线路的工作电源，另一个送往电压取样器[X]，得到与供电电压大小成正比的电压信号，再送往过电压判别器[J₁]和低电压判别器[J₂]判定其是否越限，[J₁]和[J₂]均采用有回差甄别器，越限信息送往控制器[K]，使执行器[Q]立即切断电源停止供电，当出现过电流或过载现象时，电流取样器[B]把信号经Ⅰ-Ⅴ变换器[X₂]送入过电流反时限特性形成器[F]，该电路按电流的大小以反时限规律发出信息给控制器[K]，使执行器[Q]切断电源。

2、如权利要求1所述的电器保护器，其特征在于还设有对异常情况况提示和报警的指示器。

3、如权利要求2所述的电器保护器，其特征在于：其中过电压判别器、低电压判别器、过电流反时限特性形成器和控制器均采用了CMOS器件。

4、如权利要求3所述的电器保护器，其特征在于：电流取样器采用电流互感器，执行器采用小型密封继电器，电源采用电容C₁降压并接有稳压管DW₂，指示器为直接驱动的低功率显示器LED₁～LED₃。

5、如权利要求4所述的电器保护器，其特征在于：

a.其中的过电压判别器和低电压判别器包括Y₁～Y₃，R₃～R₆，

b.其中的过电流反时限形成器包括Y₅、Y₆、Y₈、Y₉、D₆、D₇、D₁₀、C₆、C₇、R₁₀～R₁₂，R₁₆和R₁₇，

c.其中的控制器包括Y₄、Y₇、BG₁、D8、C4，R8、R9，

d.其中的电压取样器包括DW₁，W₁，W₂，R₁，C₃，

e.其中的Ⅰ－V变换器包括R₁₄、D₅、W₃。

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