功率可调限电器研制
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【摘 要】 设计一种限制使用大功率耗能电器的装置，把它安装在住户或公寓、私家小工厂、宾馆、学校等场合的进线端，即可对其用电情况进行监视限制。
当今社会，国家提倡节能减排。尤其是用电管理，到了夏季用电高峰，为节约用电，电力部门提倡夜晚一户用一盏灯。为此设计出一种限制使用大功率耗能电器的装置，把它安装在住户或公寓、私家小工厂、宾馆、学校等场合的进线端，即可对其用电情况进行监视限制。
1 研制背景
当今社会，国家提倡节能减排。尤其是用电管理，到了夏季用电高峰，为节约用电，电力部门提倡夜晚一户用一盏灯。为此设计出一种限制使用大功率耗能电器的装置，把它安装在住户或公寓、私家小工厂、宾馆、学校等场合的进线端，即可对其用电情况进行监视限制。
2 本装置的特点
适用于220V单相供电的场合，可以根据所限制最大允许电流来方便的选取相应的档位。本装置设为4个档位，即500W、1000W、1500W、2000W。也可根据用户的需要定制每档的功率值。
3 电路原理
电路原理图见图1：
220V交流电压经接线端子P1输入，接线端子P2接用电负载。K1为220V输入电源开关。电阻R1，电容C1、C2，二极管D1、D2和稳压二极管D3构成无变压器式整流滤波电路，输出5V直流电压，供运算放大器LM358和继电器J1使用。电流互感器T1的一次侧串在用电负载回路中，二次侧经电阻R11取样后通过D4和C3整流滤波输出随负载电流变化的直流电压。电阻R2、R3、R4、R5、R6构成用电设备功率选择分压电路，经单刀4位转换开关K2输出给运算放大器LM358的同相输入端。
LM358运算放大器在此接成电压比较器电路形式，其反相输入端为了提高电路的稳定性精确性采用了高稳定度的基准电压源器件TL431（U1），经限流电阻R8和发光二极管DS1提供工作电流，提供给运算放大器LM358的反相输入端高稳定度的2.5V直流电压。
当把用电设备选择开关置于某一档位后，如果负载电流没有超过该档的限定值，运算放大器的同相输入端电压低于反相输入端电压2.5V，此时运算放大器的输出端1脚为0V，继电器J1动作，输出触点闭合，接通用电负载；如果负载电流超过了该档的限定值，运算放大器的同相输入端电压高于反相输入端电压2.5V，此时运算放大器的输出端1脚电压接近5V，继电器J1不动作，输出触点断开，切断用电负载电源。
为了避免负载电流处于某档位限定值的临界状态时出现频繁通断的震荡状态，当负载电流一旦过流，运算放大器的输出端1脚为高电平后，立刻通过二极管D7和电阻R7正反馈给运算放大器同相输入端一高电平，使同相输入端电压进一步升高，使得输出端1脚稳定在高电平，因此避免了频繁的通断震荡状态。
当一旦负载电流超限后，由于R7和D7的正反馈作用，不管负载再如何变化，继电器J1都不会再接通负载，如果用户减小了用电负载，必须要人工轻触一下启动按钮K3后，使运算放大器的同相输入端为0电平，此时才能再次接通负载电源。
图中，D5的作用是为了防止当运算放大器的输出端1脚为高电平时给C3充电；
C4的作用为有些用电设备启动电流比正常工作电流要大，为防止启动时就出现过流保护，C4起一个延时2-3秒的作用。
发光二极管DS1除了给U1提供工作电流外，还起到输入220V电源接通指示的作用。当K1闭合后，DS1点亮。
发光二极管DS2为负载过流指示，当负载超限，本装置处于限流保护状态时，DS2点亮。
4 电路调整
先用一只50K的电位器来代替R2、R3、R4、R5、R6，当K2置于各档位时，在P2端子分别对应接500W、1000W、1500W、2000W的纯电阻性负载（可用不同瓦数的电烙铁芯组合搭配），接通220V输入电源后，慢慢旋转电位器，使得运算放大器的正输入端（3脚）的电压为2.5V，再用万用表测量每档时电位器的电阻就分别确定了R2、R3、R4、R5、R6的数值。
5 主要元件选择
基准稳压源U1：TL431。运算放大器U2：集成电路LM358。互感器T1：ZMCT118F（变比：1000：1）。继电器J1：固态继电器（直流控交流）SSR-40DA或MGR-1 D4825，根据最大负载电流选取。
6 制作
按电路原理图，制作印刷电路板，作为中心控制板，分别和接线端子、按钮指示灯、开关、按钮连接。由于本装置采用固态继电器来接通负载，固态继电器在大电流工作时需要加装散热器，在此我们采用铝型材外壳，把固态继电器固定在铝壳内部，就起到了很好的散作用。如果要用非铝材壳体，必须在壳体内给固态继电器加散热器。如果用常规的交流接触器，不需要加散热器，把J1换成小型的继电器去带动交流接触器就可以了。
7 补充说明
本装置的限制功率值是指在标准的220v电源时纯阻性负载情况下来计算设定的。因本装置采用铝合金外壳，为了保证人身安全，外壳接地端子一定要接入良好的接地系统。