摘? 要: 電子式電動機保護裝置的種類和現狀,指出了電子阻容式保護裝置存在的反時限動作特性的弊端,提出了一種利用穩壓管PN結的反向指數型伏安特性對阻容式保護器進行反時限特性改善的新方法,使之成為接近理想保護特性的通用型電動機保護裝置。?

　　關鍵詞: 電子式? 保護裝置? 反時限特性? 電動機?

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　　近年來我國電子式電動機保護器已有了一定的發展,越來越多的用戶開始嘗試選用電子式熱保護器來取代傳統的以發熱、變形帶動機構動作為原理的雙金屬片式熱繼電器。與傳統的熱繼電器相比,電子式熱保護器具有高精度、高可靠性等優點。目前,電子式保護器雖然品種繁多,但歸納起來基本分為以下兩種。?

　　(1)單片機式?

　　這種保護器首先建立了與電動機熱特性相一致的數學模型,以便對電動機進行熱動態跟蹤;同時可方便地設計成多功能,充分發揮計算機軟件的優勢,適用于中大型電動機的綜合保護。?

　　(2)阻容式?

　　這類保護器機芯采用模擬電子電路,以簡單、價廉、精小、可靠和使用方便而見長。?

　　單就電動機熱保護器而言,它無疑具有廣闊的市場前景。而一個合格的熱保護器必須解決兩個關鍵問題,一是要有高精度的傳感器,將表征電動機過載的量檢測出來;二是動作特性(即反時限特性)必須與實際的電動機熱特性相對應或與標準相近。?

　　以上兩種熱保護器各有優點,單片機式自然性能良好,但價格貴一些,且不適合對中小型通用電動機保護;而阻容式雖然價格便宜,但保護性能不盡如人意。如果能將阻容式的保護器加以改進,令其保護性能盡量接近標準規定的指標,無疑會給電子式熱保護裝置的推廣使用帶來可喜的前景。?

1 電動機保護器過載(或缺相)的動作特性?

1.1 標準動作特性?

　　根據電動機熱特性及繞組耐過熱能力,電動機過載斷相保護的性能指標如表1所示(I_e代表電動機額定電流)。?

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　　按國際標準JB3905的描述,電動機的溫升與電流的平方成正比。因此給出了反時限的動作時間數學模型:?

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

??? 式中,τ為阻容電路的時間常數,k為臨界動作時的電流過載倍數(過載判據),這里取k=1.1。若規定6倍過載時冷態動作時間為7秒,則推算出動作時間常數為:?

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

　　這樣,相應各過載倍數的動作時間(I²規律的動作時間)如表2所示。表2中沒有規定2～6倍過載時的動作時間,是因為電動機在2倍過載之后,轉差率大增,開始進入T-S特性的非穩定區而迅速堵轉,因此2～6倍開區間的動作時間無需規定。?

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　　I²規律反時限保護特性曲線如圖1中曲線1所示。這一保護特性正是電子式熱繼電器所追求的,不論是單片機式的還是阻容式的均以此作為目標。對于單片機式保護器而言,實現這一目標很容易;而對于阻容式的保護器,要實現這一保護規律卻并非易事。?

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1.2 電流一次方規律的保護特性(J7T)?

　　二十世紀90年代進入我國市場的電子式熱繼電器(阻容式)是按電流一次方規律實施熱保護的(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,是普遍考慮了保護裝置的體積、精度及可靠性等問題。作為對比,下面列出按電流一次方規律動作的時間表達式:?

??? t=τ/ln[1/(1-kI_e/I)]?

　　仍取k=1.1,而6倍過載保護動作時間取7秒,則其動作時間常數應為τ=34.1s。相應各過載倍數下保護動作時間(一次方規律的動作時間)見表2。電流一次方規律的動作時間及特性曲線僅在高過載倍數(大于等于3.5)下與標準相近,而低過載倍數下兩者均與標準相去甚遠。1.15倍過載時,動作時間只有1分49秒,出現了過保護,雖然滿足了開區間<1h的動作要求,但卻大大限制了電動機固有過載能力的利用,這種過保護也是一種不成功的保護。?

2 改進的阻容式保護器反時限特性?

　　本文所追求的是既要標準的保護特性,又要保護裝置的低成本,因此希望對阻容式保護特性加以改進。如前所述,電動機過載時溫升與電流平方成正比,這樣低過載倍數時動作時間應長一些,以便充分發揮電動機的過載能力;而高過載倍數時,電動機繞組近似在絕熱情況下發熱,動作時間應短一些。通常模擬電子式保護器(如OMROW的J7T型)的反時限形成電路如圖2所示,所生成的保護規律具有電流一次方對數特性,見圖1中曲線2。?

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　　這種電路生成的保護特性具有一定的局限性,主要是低倍過載時動作時間太短。若解決這一問題,最直接的辦法是設置兩個時間常數,令低倍過載時的時間常數τ值大一些,使低倍過載時的保護特性盡量逼近標準的保護特性;而高倍過載時的τ值小一些,這樣就有可能生成一種理想的保護特性。基于這種思想,對圖2電路進行了改進。改進的反時限形成電路見圖3。電路僅增加了一只穩壓管和一只電阻,穩壓管電壓V_DW取2倍過載時對應的信號電壓。這一電路的工作原理是:當低倍過載時,穩壓管不起作用,阻容電路的時間常數為τ=(R₁+R₂)C₁;而高倍過載(I/I_e≥2)時,信號電壓將增大而使穩壓管擊穿,此時的電路時間常數變為τ=R₂C₁，相當于從低倍過載到高倍過載執行了兩個時間常數。當穩壓管為理想穩壓管時,在理論上,其動作特性被分成兩段,如圖4所示,曲線3為低過載倍數大時間常數的曲線,而曲線2為高過載倍數小時間常數的曲線。但實際上穩壓管在齊納擊穿之前就有了漸漸增加的漏電流,其反向伏安關系如PN結的指數型伏安特性。隨著信號電壓ui的增加,反向電阻漸漸減小,相當于阻容電路的時間常數漸漸地由大變小,亦呈現指數型規律。這樣,理論上分段時間常數的阻容式保護特性就變成了實際上指數型時間常數的過度平滑的保護特性,如圖5中曲線3所示。?

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　　改進后的保護特性與標準保護特性及J7T型保護特性三者相比較,結果見圖5。從圖中可以看出,改進后的特性3曲線不再平坦,具有了準二次方的特性。而與標準特性1相比,雖然略有差異,但低倍過載段卻更具實用性。低倍過載時的動作時間變長,更有利于電動機正常過載能力的發揮。研究表明,對于中小型電動機,在低倍過載時,其實際的熱特性是大于電流二次方特性的^[2]。而高倍(≥2倍)過載時曲線3與標準特性1非常接近,明顯優于單純一次方規律的曲線2,自然可以有效地保護電動機。?

　　利用穩壓管PN結的反向指數型伏安特性對阻容式電動機熱保護裝置的反時限特性進行改進以后,其動作特性發生了根本性的變化,改進后的動作特性更接近于標準特性,更具有實價值用。而改進后的電路非常簡單,不會影響保護裝置的體積和成本。對于量大面廣的中小型電動機,這樣的保護特性無疑是較為理想的。?

參考文獻?

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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 國際標準.? IEC255-8?