摘? 要: 電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的種類和現(xiàn)狀,指出了電子阻容式保護(hù)裝置存在的反時(shí)限動(dòng)作特性的弊端,提出了一種利用穩(wěn)壓管PN結(jié)的反向指數(shù)型伏安特性對(duì)阻容式保護(hù)器進(jìn)行反時(shí)限特性改善的新方法,使之成為接近理想保護(hù)特性的通用型電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置。?

　　關(guān)鍵詞: 電子式? 保護(hù)裝置? 反時(shí)限特性? 電動(dòng)機(jī)?

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　　近年來我國電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器已有了一定的發(fā)展,越來越多的用戶開始嘗試選用電子式熱保護(hù)器來取代傳統(tǒng)的以發(fā)熱、變形帶動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作為原理的雙金屬片式熱繼電器。與傳統(tǒng)的熱繼電器相比,電子式熱保護(hù)器具有高精度、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。目前,電子式保護(hù)器雖然品種繁多,但歸納起來基本分為以下兩種。?

　　(1)單片機(jī)式?

　　這種保護(hù)器首先建立了與電動(dòng)機(jī)熱特性相一致的數(shù)學(xué)模型,以便對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行熱動(dòng)態(tài)跟蹤;同時(shí)可方便地設(shè)計(jì)成多功能,充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)軟件的優(yōu)勢(shì),適用于中大型電動(dòng)機(jī)的綜合保護(hù)。?

　　(2)阻容式?

　　這類保護(hù)器機(jī)芯采用模擬電子電路,以簡(jiǎn)單、價(jià)廉、精小、可靠和使用方便而見長(zhǎng)。?

　　單就電動(dòng)機(jī)熱保護(hù)器而言,它無疑具有廣闊的市場(chǎng)前景。而一個(gè)合格的熱保護(hù)器必須解決兩個(gè)關(guān)鍵問題,一是要有高精度的傳感器,將表征電動(dòng)機(jī)過載的量檢測(cè)出來;二是動(dòng)作特性(即反時(shí)限特性)必須與實(shí)際的電動(dòng)機(jī)熱特性相對(duì)應(yīng)或與標(biāo)準(zhǔn)相近。?

　　以上兩種熱保護(hù)器各有優(yōu)點(diǎn),單片機(jī)式自然性能良好,但價(jià)格貴一些,且不適合對(duì)中小型通用電動(dòng)機(jī)保護(hù);而阻容式雖然價(jià)格便宜,但保護(hù)性能不盡如人意。如果能將阻容式的保護(hù)器加以改進(jìn),令其保護(hù)性能盡量接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo),無疑會(huì)給電子式熱保護(hù)裝置的推廣使用帶來可喜的前景。?

1 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器過載(或缺相)的動(dòng)作特性?

1.1 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作特性?

　　根據(jù)電動(dòng)機(jī)熱特性及繞組耐過熱能力,電動(dòng)機(jī)過載斷相保護(hù)的性能指標(biāo)如表1所示(I_e代表電動(dòng)機(jī)額定電流)。?

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　　按國際標(biāo)準(zhǔn)JB3905的描述,電動(dòng)機(jī)的溫升與電流的平方成正比。因此給出了反時(shí)限的動(dòng)作時(shí)間數(shù)學(xué)模型:?

??? t=τln{I²/[I²-(kI_e)²]}=τln{1/[1-(kI_e/I)²]}?

??? 式中,τ為阻容電路的時(shí)間常數(shù),k為臨界動(dòng)作時(shí)的電流過載倍數(shù)(過載判據(jù)),這里取k=1.1。若規(guī)定6倍過載時(shí)冷態(tài)動(dòng)作時(shí)間為7秒,則推算出動(dòng)作時(shí)間常數(shù)為:?

??? τ=t/ln{1/[1-(kI_e/I)²]}=7/ln{1/[1-(1.1/6)²]}=204.7s?

　　這樣,相應(yīng)各過載倍數(shù)的動(dòng)作時(shí)間(I²規(guī)律的動(dòng)作時(shí)間)如表2所示。表2中沒有規(guī)定2～6倍過載時(shí)的動(dòng)作時(shí)間,是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)在2倍過載之后,轉(zhuǎn)差率大增,開始進(jìn)入T-S特性的非穩(wěn)定區(qū)而迅速堵轉(zhuǎn),因此2～6倍開區(qū)間的動(dòng)作時(shí)間無需規(guī)定。?

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　　I²規(guī)律反時(shí)限保護(hù)特性曲線如圖1中曲線1所示。這一保護(hù)特性正是電子式熱繼電器所追求的,不論是單片機(jī)式的還是阻容式的均以此作為目標(biāo)。對(duì)于單片機(jī)式保護(hù)器而言,實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)很容易;而對(duì)于阻容式的保護(hù)器,要實(shí)現(xiàn)這一保護(hù)規(guī)律卻并非易事。?

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1.2 電流一次方規(guī)律的保護(hù)特性(J7T)?

　　二十世紀(jì)90年代進(jìn)入我國市場(chǎng)的電子式熱繼電器(阻容式)是按電流一次方規(guī)律實(shí)施熱保護(hù)的(如日本OMROW的J7T型),之所以沒有在阻容電路前增加乘法器電路,是普遍考慮了保護(hù)裝置的體積、精度及可靠性等問題。作為對(duì)比,下面列出按電流一次方規(guī)律動(dòng)作的時(shí)間表達(dá)式:?

??? t=τ/ln[1/(1-kI_e/I)]?

　　仍取k=1.1,而6倍過載保護(hù)動(dòng)作時(shí)間取7秒,則其動(dòng)作時(shí)間常數(shù)應(yīng)為τ=34.1s。相應(yīng)各過載倍數(shù)下保護(hù)動(dòng)作時(shí)間(一次方規(guī)律的動(dòng)作時(shí)間)見表2。電流一次方規(guī)律的動(dòng)作時(shí)間及特性曲線僅在高過載倍數(shù)(大于等于3.5)下與標(biāo)準(zhǔn)相近,而低過載倍數(shù)下兩者均與標(biāo)準(zhǔn)相去甚遠(yuǎn)。1.15倍過載時(shí),動(dòng)作時(shí)間只有1分49秒,出現(xiàn)了過保護(hù),雖然滿足了開區(qū)間<1h的動(dòng)作要求,但卻大大限制了電動(dòng)機(jī)固有過載能力的利用,這種過保護(hù)也是一種不成功的保護(hù)。?

2 改進(jìn)的阻容式保護(hù)器反時(shí)限特性?

　　本文所追求的是既要標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)特性,又要保護(hù)裝置的低成本,因此希望對(duì)阻容式保護(hù)特性加以改進(jìn)。如前所述,電動(dòng)機(jī)過載時(shí)溫升與電流平方成正比,這樣低過載倍數(shù)時(shí)動(dòng)作時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)一些,以便充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過載能力;而高過載倍數(shù)時(shí),電動(dòng)機(jī)繞組近似在絕熱情況下發(fā)熱,動(dòng)作時(shí)間應(yīng)短一些。通常模擬電子式保護(hù)器(如OMROW的J7T型)的反時(shí)限形成電路如圖2所示,所生成的保護(hù)規(guī)律具有電流一次方對(duì)數(shù)特性,見圖1中曲線2。?

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　　這種電路生成的保護(hù)特性具有一定的局限性,主要是低倍過載時(shí)動(dòng)作時(shí)間太短。若解決這一問題,最直接的辦法是設(shè)置兩個(gè)時(shí)間常數(shù),令低倍過載時(shí)的時(shí)間常數(shù)τ值大一些,使低倍過載時(shí)的保護(hù)特性盡量逼近標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)特性;而高倍過載時(shí)的τ值小一些,這樣就有可能生成一種理想的保護(hù)特性?；谶@種思想,對(duì)圖2電路進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)的反時(shí)限形成電路見圖3。電路僅增加了一只穩(wěn)壓管和一只電阻,穩(wěn)壓管電壓V_DW取2倍過載時(shí)對(duì)應(yīng)的信號(hào)電壓。這一電路的工作原理是:當(dāng)?shù)捅哆^載時(shí),穩(wěn)壓管不起作用,阻容電路的時(shí)間常數(shù)為τ=(R₁+R₂)C₁;而高倍過載(I/I_e≥2)時(shí),信號(hào)電壓將增大而使穩(wěn)壓管擊穿,此時(shí)的電路時(shí)間常數(shù)變?yōu)棣?R₂C₁，相當(dāng)于從低倍過載到高倍過載執(zhí)行了兩個(gè)時(shí)間常數(shù)。當(dāng)穩(wěn)壓管為理想穩(wěn)壓管時(shí),在理論上,其動(dòng)作特性被分成兩段,如圖4所示,曲線3為低過載倍數(shù)大時(shí)間常數(shù)的曲線,而曲線2為高過載倍數(shù)小時(shí)間常數(shù)的曲線。但實(shí)際上穩(wěn)壓管在齊納擊穿之前就有了漸漸增加的漏電流,其反向伏安關(guān)系如PN結(jié)的指數(shù)型伏安特性。隨著信號(hào)電壓ui的增加,反向電阻漸漸減小,相當(dāng)于阻容電路的時(shí)間常數(shù)漸漸地由大變小,亦呈現(xiàn)指數(shù)型規(guī)律。這樣,理論上分段時(shí)間常數(shù)的阻容式保護(hù)特性就變成了實(shí)際上指數(shù)型時(shí)間常數(shù)的過度平滑的保護(hù)特性,如圖5中曲線3所示。?

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　　改進(jìn)后的保護(hù)特性與標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)特性及J7T型保護(hù)特性三者相比較,結(jié)果見圖5。從圖中可以看出,改進(jìn)后的特性3曲線不再平坦,具有了準(zhǔn)二次方的特性。而與標(biāo)準(zhǔn)特性1相比,雖然略有差異,但低倍過載段卻更具實(shí)用性。低倍過載時(shí)的動(dòng)作時(shí)間變長(zhǎng),更有利于電動(dòng)機(jī)正常過載能力的發(fā)揮。研究表明,對(duì)于中小型電動(dòng)機(jī),在低倍過載時(shí),其實(shí)際的熱特性是大于電流二次方特性的^[2]。而高倍(≥2倍)過載時(shí)曲線3與標(biāo)準(zhǔn)特性1非常接近,明顯優(yōu)于單純一次方規(guī)律的曲線2,自然可以有效地保護(hù)電動(dòng)機(jī)。?

　　利用穩(wěn)壓管PN結(jié)的反向指數(shù)型伏安特性對(duì)阻容式電動(dòng)機(jī)熱保護(hù)裝置的反時(shí)限特性進(jìn)行改進(jìn)以后,其動(dòng)作特性發(fā)生了根本性的變化,改進(jìn)后的動(dòng)作特性更接近于標(biāo)準(zhǔn)特性,更具有實(shí)價(jià)值用。而改進(jìn)后的電路非常簡(jiǎn)單,不會(huì)影響保護(hù)裝置的體積和成本。對(duì)于量大面廣的中小型電動(dòng)機(jī),這樣的保護(hù)特性無疑是較為理想的。?

參考文獻(xiàn)?

1 童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第二版).北京:高等教育出版社,1988?

2 馬少華.電動(dòng)機(jī)熱特性及其過載保護(hù).中國電工技術(shù)學(xué)會(huì),低壓電器專業(yè)委員會(huì)第七界學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，1995.6?

3 Ma Shao-Hua. Research of Thermal Characteristics of Electric Motor.Third International Conference on Electrical Contacts， Arcs， Apparatus and their Application，Xi＇an， P.? R. China， May，1997?

4 國際標(biāo)準(zhǔn).? IEC255-8?