電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置反時(shí)限特性的研究

1、    電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置反時(shí)限特性的研究    電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置反時(shí)限特性的研究    類別：傳感與控制      作者：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院（110023）龔淑秋    高有華 李忠波 沈陽(yáng)于洪供曖公司（110023）思志勇    來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用      &#

2、160;                                                  摘

3、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)       

4、60; 近年來(lái)我國(guó)電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器已有了一定的發(fā)展，越來(lái)越多的用戶開始嘗試選用電子式保護(hù)器來(lái)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(lái)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   

5、 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(jiàn)長(zhǎng)。    單就電動(dòng)機(jī)保護(hù)器而言，它無(wú)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(wèn)題，一是要有高精度的傳感器，將表征電動(dòng)機(jī)過(guò)載的量檢測(cè)出來(lái)；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

6、標(biāo)，無(wú)疑會(huì)給電子式熱保護(hù)裝置的推廣使用帶來(lái)可喜的前景。    1    電動(dòng)機(jī)保護(hù)器過(guò)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(guò)熱能力，電動(dòng)機(jī)過(guò)載斷相保護(hù)的性能指標(biāo)如表1所示（Ie代表電動(dòng)機(jī)額定電流）。     表1 電動(dòng)機(jī)過(guò)載斷相保護(hù)的性能指標(biāo)         主回路工作狀態(tài)

7、    保護(hù)器動(dòng)作時(shí)間        過(guò)載    105%Ie    2小時(shí)內(nèi)不動(dòng)作        115120%Ie    1小時(shí)內(nèi)動(dòng)作        200%Ie   

8、; 4分鐘內(nèi)動(dòng)作        600%Ie    510秒內(nèi)動(dòng)作        斷相    2相100%Ie,1相90%Ie    2小時(shí)內(nèi)不動(dòng)作        2相115%Ie,1相0%Ie   

9、 1小時(shí)內(nèi)動(dòng)作     按國(guó)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=lnI2/I2-(kIe)2    =ln1/1-(kIe/I)2    式中，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(guò)載倍數(shù)（過(guò)載判據(jù)），這里取k=1.1。若規(guī)定6倍過(guò)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：    =t/ln1/1-(kIe

10、/I)2    =7/ln1/1-(1.1/6)2    =204.7s    這樣，相應(yīng)各過(guò)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(méi)有規(guī)定26倍過(guò)載時(shí)的動(dòng)作時(shí)間，是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)在2倍過(guò)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)而聲速堵轉(zhuǎn)，因此26倍開區(qū)間的動(dòng)作時(shí)間無(wú)需規(guī)定。     表2 相應(yīng)各過(guò)載倍數(shù)下三種保護(hù)器動(dòng)作時(shí)間比較       &#

11、160;主回路工作狀況    I2規(guī)律的動(dòng)作時(shí)間    一次方規(guī)律的動(dòng)作時(shí)間    改進(jìn)后的動(dòng)作時(shí)間        2相115%Ie    1相為0     8'24"     1'29"     9&#

12、39;08"        115%Ie    120%Ie    150%Ie    200%Ie    600%Ie    8'24"    6'16"    2'38"&

13、#160;   1'14"    7"    1'29"    1'26"    46"    35"    7"    9'08"    

14、;6'58"    2'37"    49"    7"     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。    1.2 電流一次方規(guī)律的保護(hù)特性（J7T）&

15、#160;   二十世紀(jì)90年代進(jìn)入我國(guó)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(méi)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(wèn)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=/ln1/(1-kIe/I)    仍取k=1.1，而6倍過(guò)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=34.1s。相應(yīng)各過(guò)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(jiàn)表2。電流一次方規(guī)律的動(dòng)作時(shí)間及特性曲

16、線僅在高過(guò)載倍數(shù)（大于等于3.5）下與標(biāo)準(zhǔn)相近，而低過(guò)載倍數(shù)下兩者均與標(biāo)準(zhǔn)相去甚遠(yuǎn)。1.15倍過(guò)載時(shí)，動(dòng)作時(shí)間只有1分49秒，出現(xiàn)了過(guò)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(guò)載能力的利用，這種過(guò)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(guò)載時(shí)溫升與電流平方成正比，這樣低過(guò)載倍數(shù)時(shí)動(dòng)作時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)些，以便充

17、分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力；而高過(guò)載倍數(shù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)繞組近似絕熱情況下發(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(jiàn)圖1中曲線2。    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(guò)載時(shí)動(dòng)作時(shí)間太短。若解決這一問(wèn)題，最直接的辦法是設(shè)置兩個(gè)時(shí)間常數(shù)，令低倍過(guò)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(guò)載時(shí)的值小一些，這樣就有可能生成一種理想的保護(hù)特性。基于這種思想。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(jiàn)圖3。電路僅增加一只穩(wěn)壓管和一只電阻，穩(wěn)壓管電壓VD

18、W取2倍過(guò)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^(guò)載時(shí)，穩(wěn)壓管不起作用，阻容電路的時(shí)間常數(shù)為=(R1+R2)G1；而高倍過(guò)載（I/Ie2）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)?R2C1，相當(dāng)于從低倍過(guò)載到高倍過(guò)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(guò)載倍數(shù)大時(shí)間常數(shù)的曲線，而曲線2為高過(guò)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)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(guò)度平滑的保護(hù)特性，如圖5中曲線3所示。                    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(jiàn)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(guò)