针对小家电中的马达堵转保护问题的探讨宜昌

针对小家电中的马达堵转保护问题的探讨

针对小家电中的马达堵转保护问题的探讨 2011年12月02日 来源： 目前小家电已经进入了中国的千家万户，但是由于小家电型号和品牌众多，产品质量参差不齐，同时在很长一段时间以来，很多小家电也正是处于没有专门的国家标准可以遵循的状态。幸好国家已经意识到了这个问题，很多小家电行业已经在起草国家标准，这样就会统一各个厂家自定的企业标准，有利于小家电行业的健康发展，小家电的质量问题也就被提上了议事日程，生产高可靠性的小家电也成为各个厂家的目标。小家电中会使用到马达的有豆浆机、食物料理机、榨汁机、搅拌机、绞肉机，打浆机，咖啡机等，马达在这些小家电中是非常关键的设备，如何设计一个高可靠性的马达系统是判断这些小家电质量的一个很重要的指标，本文正是讨论小家电中会经常碰到的马达堵转的保护问题。TE LVR系列PPTC产品介绍TE connectivity是全球最大的无源器件专业提供商，同时也是全球最大的电路保护器件专业供应商，它是PPTC高分子材料正温度系数电阻的发明者，其过流过压保护器件广泛应用于消费电子、IT、通信、工业、汽车等多个领域。在过流保护方面，泰科电子提供PolySwith自复式元件，在过压保护方面，泰科电子提供GDT气体放电管和PESD/SESD静电保护元件，此外，泰科电子还提供综合保护元件2Pro和Polyzen，MHP，RTP等众多产品。TE connectivity有众多的PPTC型号可供用户选择，LVR系列可复位电路保护器件，是专门用于防止商用和家用电器中使用的马达和变压器因过载、过热、堵转、零线故障和其它潜在因素导致的损坏的器件，PPTC的初始小电阻值在马达正常工作时不影响马达的工作，当PPTC在马达过载或者堵转的时候电阻迅速增加，以降低过载电流保护马达，当故障消除以后PPTC又可以恢复正常电阻让马达正常工作。TE connectivity LVR系列产品包括了多种额定值为120 VAC和240 VAC线电压等级产品，这些产品阻抗低、动作时间快、体积小并具备可复位功能，有助于电路设计者推出安全和可靠性良好的产品，并且减少了保修期内的修理费用。与一次性使用的保险丝不同，PPTC器件无需在发生故障后进行更换。在过电流状况排除以及供电断开后，电路将恢复至正常的运行条件。与双金属型断路器产品相比，这种产品具有更高的灵活性、更长的使用期限以及更低的电磁干扰(EMI)。小家电马达堵转保护的一般设计流程下面先介绍一下在小家电马达堵转保护设计中PPTC选型的一般程序。首先要确认PPTC的阻值上限R1max。下图1为PPTC阻值上限R1max的设计流程。

图1：PPTC阻值上限R1max的计算流程

总之选择PPTC 的R1max就是要保证PPTC在马达工作在最高温度以及最大运行电流等最恶劣情况下不会误动作，那么在其他工作情况下PPTC肯定也不会误动作。其次确认PPTC的阻值下限Rmin。下图2为PPTC阻值下限Rmin的设计流程。

图2：PPTC阻值下限Rmin的计算流程

总之选择PPTC 的Rmin就是要保证PPTC在马达工作在最低温度以及最小故障电流等最恶劣情况下的保护时间能满足要求，那么在其他故障情况下PPTC肯定也会及时的保护。最后确认PPTC的物理参数，比如PPTC的封装尺寸，PPTC是安装在控制板上还是安装在马达内等。一般在小家电马达保护中使用以上的设计流程就可以设计出PPTC的型号，当然也有例外，多功能豆浆机的马达保护既有一般小家电马达堵转保护的共性问题，也有它的特性，下面就用多功能豆浆机的马达保护来阐述一下它的特殊解决方案。多功能豆浆机马达堵转保护实例介绍多功能豆浆机功能强大，不但可以磨制豆浆，还可以制作果汁、果蔬浓汤、营养米糊、五谷杂粮、玉米汁、绿豆汁等几十个品种，既可制作热饮同时又可制作冷饮。一般多功能豆浆机是由电动和电热系统集成在一起的产品，整机程序由微电脑系统自动控制，形成一个相对复杂的系统。多功能豆浆机从结构上分析，主要有机头，机身，马达，联轴器，杯盖，杯体，刀轴，控制电路板，液晶显示屏等组成。豆浆机里有温度传感器，用于检测加热器加热时杯体内的水温，当水温达到MCU设定温度(假设80 ℃左右)时，MCU启动马达开始磨制豆浆。一般多功能豆浆机的预热、打浆、榨果汁等全自动化过程，都是通过MCU控制，相应的驱动三极管，再由多个继电器组成的继电器组电路转换来完成。其中马达在多功能豆浆机中是一个非常重要的部件，它的使用安全问题直接影响到豆浆机的可靠性。下图3为多功能豆浆机马达和加热器的简单电路示意图。豆浆机所用马达为220V直流马达，继电器的工作电压为12V，豆浆机利用继电器把MCU发出的低压控制信号I/O来控制交流高压信号的通断，R3为PPTC可恢复电阻，T1和T2为继电器。

图3：豆浆机马达和加热器的电路示意图

由于在使用多功能豆浆机时，豆浆机往往在制作果汁的时候会发生堵转，马达的堵转指的是杯体中的物品将马达轴承固定不使其转动，这时电压还加在马达的两端，这时候的电流就是堵转电流，一般的马达都是不允许发生堵转的，因为马达发生堵转之后马达线圈的温度会急剧上升，温度超过线圈的最高温度之后，时间稍长就会烧坏马达，这即增加了消费者的不便，也增加了生产者的维修成本。所以在豆浆机中增加马达保护装置是必不可少的，而且是在堵转消除后能自动恢复的保护，因此选择TE connectivity公司的可恢复PPTC是一个不错的解决方案。用上文所述的PPTC设计流程可以用在多功能豆浆机马达防堵保护设计中，但这是往往会碰到选择PPTC型号困难的问题，也就是说多功能豆浆机的马达保护设计会较普通的小家电马达保护复杂的多，图4为磨制豆浆时PCB板周围环境温度和马达外壳温度的实测图，可见控制电路PCB板PPTC周围的环境温度最高可以到达85C。由于豆浆机的PPTC最高环境温度85度会比普通的小家电最高环境温度要求高，这样既要在85度的最大工作电流下能正常工作，还要保证在最低温度0度的堵转电流情况下能及时的保护，相应的就增大了设计难度。下面就具体的阐述此类多功能豆浆机马达堵转的保护设计方案。

图4：磨制豆浆时PCB板子和马达外壳的温度

以磨制豆浆时的电流确定最大工作电流，根据该最大工作电流和最大环境温度初步确定TE connectivity LVR系列PPTC的相关型号。图5为多功能豆浆机磨制豆浆时的工作电流，测得多功能豆浆机的直流马达的最大电流为800mA，由于磨制豆浆时马达是间隔一定时间工作的，并不是一直连续工作的，间隔时间由豆浆机MCU计时电路控制，所以计算PPTC要能维持的最大工作电流指的是马达工作整个周期的平均电流，图中所示的800mA的最大电流换算成在一个完整工作周期内为450mA。查阅LVR100在85度下的hold电流大约是550mA，所以首先选取LVR100。

图5：多功能豆浆机磨制豆浆时的工作电流

图6为多功能豆浆机的堵转电流。在榨水果的堵转情况下，实测马达的堵转最大电流为2A，由于榨果汁时马达也不是一直连续工作的，也是间隔一定时间工作，间隔时间是马达工作6S，停3S，这样换算成在一个榨水果完整工作周期内平均电流是1.6~1.7A。在1.6~1.7A堵转电流下，马达堵转需要保护的时间要求在150S内。

图6：多功能豆浆机的堵转电流

从上述数据看到豆浆机的堵转电流仅仅只是正常工作时电流的3倍，还要考虑85度的最高温度和0度的最低温度的情况，磨制豆浆的时间较长，要在比如半小时之内能维持马达的正常工作，这样造成马达保护的设计很复杂，因为很难满足PPTC动作时间快的要求，因为当堵转电流和正常工作时电流的比值越大， PPTC保护的时间越快，PPTC的选型也越容易。现在在0C温度下1.6~1.7A的堵转电流下，LVR100的保护时间会非常长，远远不能满足在0C温度下150S保护时间的要求。那如何实现上述多功能豆浆机马达保护的问题呢？TE connectivity公司研发出一种用LVR PPTC和功率电阻利用热耦合的方式连接在一起的组件来实现多功能豆浆机马达的快速堵转保护。本实例中采用LVR100和1ohm/3W的功率电阻热耦合的组件，让功率电阻和LVR100能很好的热接触，目的就是为了使功率电阻能在堵转的时候加热LVR100使其更快的保护，选取1ohm的功率电阻是为了减小对直流马达的影响。首先选取LVR100的Rmin电阻和1ohm/3W的功率电阻热耦合的组件来进行0C温度下榨水果马达堵转保护时间。选取两片Rmin电阻0.22ohm 的LVR100和功率电阻集成的组件，下面表1为马达的保护时间。

表1：Rmin电阻的LVR100和功率电阻集成的组件在0C下马达保护时间

由上表可见保护时间都在150S之内，满足要求。其次选取典型值电阻的LVR100和功率电阻集成的组件，来进行0C/25C温度下榨水果马达堵转保护时间，下表2为马达的保护时间。

表2：典型值电阻的LVR100和功率电阻集成的组件在0C/25C下马达保护时间

可见LVR100的典型值组件在0C/25C温度下马达保护时间还会更快，完全满足小于150S的马达保护要求。图7为在25度下马达堵转保护的实测波形。

图7：PPTC组件在多功能豆浆机马达堵转保护波形

然后选取R1max电阻0.58ohm 的LVR100和功率电阻集成的组件来进行磨制豆浆的hold试验，实验结果证明组件能在一次完整的磨制豆浆过程中不误动作。由以上的试验证明，TE connectivity公司研发出的LVR PPTC和功率电阻集成在一起的组件既可以满足马达的保护时间的要求，又可以在一次完整的磨制豆浆的周期内不误动作，达到了设计和保护要求。结论PPTC可以用在小家电的马达堵转保护中，对于多功能豆浆机等较为复杂的马达堵转保护，TE connectivity也针对此类问题，研发出LVR PPTC和功率电阻利用热耦合集成在一起的组件，解决了原来PPTC在豆浆机等家用电器中直流马达堵转保护时间慢的问题，为客户解决此类问题提供了一种全新的方案。(end)

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