一种新型的单相电机过流保护器设计

　　1 引言
　　从双金属片式热过载继电器工作原理中可以发现热过载继电器有如下的缺点：
　　1. 由于采用的是受热变形的原理，导致一些小电流(小于0.5A)单相电机很难应用;
　　2. 额定电流的调节只是通过调节插头的距离来实现，调节较粗，且不准确;
　　3. 双金属片的热变形特性会随着时间而变化，从而导致热过载继电器误动作或者不动作;
　　4. 热过载继电器工作在恶劣环境中，双金属片会因金属腐蚀而失效;
　　5. 由于是双金属片受热变形，虽然有温度补偿金属片，环境温度对热过载继电器影响仍然很大;
　　6. 从图1可以看出，双金属式热过载继电器内部机械结构复杂，运动部件多，恶劣振动环境和安装位置会对众多运动部件产生影响，从而能引起继电器不动作或者误动作。


　　机动门脉动真空灭菌器是现代医院必不可少的设备之一，此设备开关门的动力来自于小功率单相电机，根据设备的大小不同，额定动作电流一般在0.2A～0.5A之间，原来都是使用三相双金属片式热过载继电器来实现对门电机的保护，由于双金属片式热过载继电器存在上述缺陷，且这种门电机功率很小，堵转电流也不大，所以造成门电机经常因保护失效而彻底损坏，使得整个灭菌器设备不能使用，给医院正常工作带来很大影响。所以笔者针对这种小功率的单相电机设计了新型的电子式电机过流保护器。
　　2 新型电子式单相电机过流保护器的原理和特点
　　针对传统的双金属片式热过载继电器的这些缺陷，笔者利用二极管、运算放大器和比较器设计了一种新型的电子式单相电机过流保护器，其原理如图2所示。保护器的IN、OUT两端串联到给单相电机供电的AC 220V交流回路中，交流回路正负方向工作电流Iw每次经过6个二极管和检流电阻R0(R0的电阻值为0.51欧姆)，所以在IN、OUT两端产生值为6*Vf+Iw*R0的交流电压，由于二极管压降Vf大致固定为1V左右，电机的额定电流在0.2-0.5A左右，所以此交流电压值为AC 6.1—6.4V。此工频交流电压经整流桥B1整流后，由低压差稳压器U1稳压产生+5V电源，用于给整个电路供电。由D5到D8四个二极管组成整流电路使得检流电阻R0两端的电压


压高于参考电压Vref时，U3打开自身的开漏输出，从而使得继电器K1线圈得电，继电器K1的常开触点闭合，常闭触点断开。
                               
                　　当门电机堵转时，其工作电流Iw随着增大，电压Vt增大，根据上述VO1、VO2传导函数关系可以得出VO2也随着增大，由于预先设定的参考电压Vref不变，从而使得增大后的VO2大于Vref，这样电压比较器U3就会打开输出，继电器K1的常开触点闭合，常闭触点断开。常开触点连接到控制系统中用于及时断开电机的供电回路，并立即发出声光报警，从而实现对单相电机的过流保护。
　　从图2可以看出，该过流保护器仅使用了一些二极管、运算放大器、电压比较器和一些电阻等价格低廉的元件，完成小功率单相电机的过流保护，并且保护电流精密可调节、保护器动作速度快且准确，克服了传统的双金属片式热过载继电器的弊端。


　　3 该设计方案的元器件选型
　　该电子式过流保护器的设计方案需要在单相电机的供电回路中串连进去两组(每组6个)方向相反的二极管——D1到D12，在不影响电机正常工作的情况下，取得过流保护器工作所需的一个较小的电源交流源(AV 6V左右)，此交流电压经过整流稳压后产生直流5V电源给整个电路供电;电流取样电阻R0两端的直流电压经运放U2差分放大、同相放大后进入电压比较器U3和预先设定的参考电压Vref进行比较输出后驱动继电器K1。由于笔者实际使用的单相电机额定工作电流0.2～0.5A左右，所以设计的过流保护器保护电流设定值为0.2～1.2A之间可通过5K的电位器R10调整。根据理论计算和笔者实际的使用经验，图2中的元器件选择如下：
　　R0: 0.51Ω 5W 1%
　　R5,R6,R7,R8：27K 1%
　　R9：1K 1%
　　R10：5K 3386型电位器
　　R11：12K 1%
　　R1,R12,R13：2.2K 5%
　　R4：30K 1%
　　R2,R3：20K 1%
　　C1: 10uF/25V
　　C2: 47uF/16V
　　C7: 100nF/50V
　　D1到D12：S3N
　　B1：MB16S
　　U1：MIC39100-5.0BS
　　U2：LM358
　　U3：LM311
　　LED1：红色LED发光管
　　K1：G5V-2-H1-05V (注：欧姆龙，2常开2常闭继电器)
　　上面的元件中，电流采样电阻R0由于直接串联到电机供电回路中，所以选择功率5瓦的插件电阻，R10选择5K的3386型可调电位器，其他电阻没有功率要求，选择普通的0805封装的片阻即可;电容C1，C2选择普通的铝电解电容，电容C7选择普通的J档的磁片电容;D1到D12选择IF为3A，VF为1.2V的整流型二极管S3N;B1选择贴片的肖特基整流桥MB16S;因为稳压前的电压只有6V左右，所以要得到5V的电压，U1必须压差低于1V的稳压器，所以笔者选择压差为410MV的低压差稳压器――MIC39100-5.0BS ;U2选择市场上最常用的运算放大器：LM358，价格低，购买方便;U3选择市场上最常见的电压比较器LM311，带开漏输出，可以直接驱动继电器;K1可根据实际需要的触点容量选择2常开的功率型继电器即可。