感性负载过电压及其抑制.pdf

文章编号 1004 289X 2002 03 0030 03 感性负载过电压及其抑制 谢超维 天水二一三机床电器厂技术中心 天水 741001 摘 要 介绍了感性负载过电压产生的机理 分析了几种常用抑制网络的工作原理及所用元件参数的选择方 法 关键词 感性负载 电动势 过电压 干扰 抑制 中图分类号 TM13 文献标识码 B Inductive Load Overvoltage and Its Restraint X IE Chao wei 213 Machine Tool Electric Apparatus Works of Tianshui Tianshui 741001 China Abstract This paper presents the mechanism of inductive load overvoltage and analyses working princi ple of several kinds of common controlling networks and selection method of component pa rameters Key words inductive load electrodynamic force overvoltage interference restraint 1 感性负载过电压 感性负载是指各种具有交直流电磁线圈的负载 由于线圈作为一种感性元件 它具有抑制加在它上面 的电流发生变化的特性 当断开线圈电源时 为了维持 原有电流 它就会产生感生电动势 其表达式如下 eL L di dt I 0Re R Lt e Lmaxe t 1 eLmax 感生电动势的最大值 eLmax I 0 R R 线圈直流电阻 r0和并接在线圈旁的电阻之 和 时间常数 L R a 一次理想断开 b 非一次理想断开 图 1 断开电源时感生负载上的电压波形 在理想情况下 由于上式中的 R 为无穷大 所以 感生电动势 eLmax也是无穷大 在实际中 尽管由于线 圈分布电容等的存在 使 eLmax不可能达到无穷大 但 是通常也可以达到外施电压的几十倍左右 这就是我 们通常所说的过电压 它属于前沿很陡 变化迅速的强 干扰脉冲 如图 1 如果不采取有效的抑制措施 它不 仅对本回路造成强干扰 而且还会以电磁感应的方式 施扰于邻近回路 反映到电气产品上 则会加大对电气 产品的绝缘冲击和触头的磨损 加大电气产品的二次 吸合率 2 感性负载过电压的抑制 为了保护电路器件和设备免受过电压的冲击 预 防电路和设备发生误动作 我们在采取滤波或隔离措 施之外 首先要考虑抑制干扰源 抑制干扰源常用的方 法是在感生负载线圈两端并接吸收网络 即抑制网络 所用的网络通常有 30 电气开关 2002No 3 图 2 其中的 a b f网络适用于直流电磁线圈 c d e网络适 用于交直流电磁线圈 为了用较简单的线路得到满意 的抑制效果 在实际中我们常选用 a c d e网络 下面 分别就 a c d e网络进行分析 2 1 抑制网络工作原理及元件参数的选择 无论线圈所并的吸收网络具体线路如何 它的作 用都只是为电磁线圈所储存的能量提供一个泄放回 路 从而减小线圈的瞬变电压 这里这们设定负载正常 工作电压为 E 负载正常工作电流为 I0 a 二极管网络 其电路如图 2 a 所示 假设断开负载电源的时刻 为 t 0 断开前为 t 0 则由感性负载 的特性可知 t 0时线圈中的电流方各同 t 0时的电 流方向一致 相对电源反接的二极管 VD能为线圈提 供有效的泄放回路 从式 1 可知 对于图 2 a 有 R r0 R VD 此时反电动势的幅值为 eLmax I0R I0 r0 RVD 2 由于线圈电阻 r0和二极管正向电阻 RVD均很小 故 e max很小 又由于硅二极管的正向导通压降 小于 1 伏 所以 emax E 1 0V 抑制的结果即为 瞬变电压 Er 1 0V 由于在负载接通电源时 二极管处于反接状态 它 应该有足够的反向耐压值 而在断开负载电源时 它必 须有足够的通流能力 所以对二极管 我们主要考虑反 向耐压和最大整流电流 一般的可根据 UR 3E IF I0来选取二极管 b 双向稳压管网络 稳压管是二极管工作于反向击穿时的特例 它的 等效电路如图 3 图 3 VD为理想二极管 rz为反向导通电阻 U2为反向 导通电压 即当它两端的电压大于 Uz时它才导通 它 的伏安特性如图 4 它能通过调节流过自身的电流大小来满足线圈电 流的改变 并将电流的改变转换成电压的变化 以适应 电压的波动 从而达到抑制过电压的目的 它的具体线 路如图 2 c 对于稳压管 通常要保证其耐压值 UR 2E 当稳压管的稳压电压为 2E时 它的瞬变电压为 Er 2E c 压敏电阻网络 如图 2d 压敏电阻是一种伏安特性为非线性的电阻元件 在正常电压下 压敏电阻处于高阻状态 只有很小的泄 漏电流 当它两端施加的电压增加到某一特定值时 其 电阻值就急剧变小 它的伏安特性图如图所示 它的具 体线路如图 2d 稳压管伏安特性 双向稳压管伏安特性 图 4 图 5 与双向稳压管网络相比 它们有相似的伏安特性 而且对于压敏电阻 当它承受过电压时 它会把过电压 的能量以放电电流的形式吸收掉 选取压敏电阻器 首先应该计算加于压敏电阻器 上的能量 其公式为 E LI 2 2 式中 I 断开感性负载时的电路电流 L 感性负载的电感 然后要确定压敏电阻器的额定电压 一般情况下 压敏电阻器的额定电压取电源电压的最大值 接着 选定压敏电阻器的功率 P P E f f 线路工作频率 最后我们用负载电压来考察压敏电阻器的钳位电 31 电气开关 2002No 3 压就可以了 d RC网络 如图 2 e RC网络中的电容能把电磁线圈中的 磁场能量转化为电容器的电场能量储存起来 以降低 能量的消散速度 由于电容器上的电压不能突然建立 从而有效地抑制了电压 并且由于电容器的电流相对 于电压超前 90 相位角 而线圈的电流相对于电压滞 后 90 相位角 所以电容的介入能够改变线路的固有 频率 切断交流电源时刻对感性负载所产生的反电动势 的大小有很大 的影响 而感性负载的特性使得交流电 流比电压超前 90 的相位角 故最恶劣的情况是在电 流最大 电压为零时切断电源 此时电流的变化率最 大 因而感性负载产生的反电动势最大 我们以此时的 情况来选定线圈参数 交流电压为零时 磁场能量最大 若此时切断电 源 则有 WL 1 2LI m2 5 当磁能全部转化为电能时 电容上最高端电压为 Ucm 电场储能最大为 WC 1 2CU cm2 6 不考虑电阻及损耗时 上述两式相等 我们可以得 到 C LI 2 m U2cm 7 对于 Ucm一般取能使节点击穿辉光放电电压的最 小值 300V 于是 C Im 300 2L 8 接入电阻 一方面能在能量转化的过程中消耗掉 一部分能量 提高动作的灵敏度 另一方面由于 LC回 路容易产生振荡 接入电阻能够抑制这种振荡 此时电 阻的选择应根据抑制 LRC振荡条件决定 二阶微分方 程的振荡条件按下式分析 ro R 2 L C 9 阻尼系数 1时 没有振荡 1时 欠阻 尼 LRC串联电路有不同程度的振荡 引处取 1 为了保险 式 9为 ro R 2 L C 10 解得 C 4L ro R 2 11 这样式 8 10 11就是选定 R C的依据 并且在依 次计算的电容中 应取较大值 电容的耐压值应按其交流有效值的 3 5倍选取 电阻的功率先按 I CU 求出通过其中的电流 再求 出 I 2R的值并放大 2 5倍即可 当然以上针对各网络选择的元件参数毕竟是理论 值 在实际中 我们应以此为初值进行试验调整 最终 选定各元件 参 考 文 献 1 童诗白主编 模拟电子技术基础 M 第二版 高等教育出版社 2 机电一体化技术手册编委会编 机电一体化技术 手册 Z 机械工业出版社 3 张松春 等编 电子控制设备抗干扰技术及应用 M 机械工业出版社 收稿日期 2001 12 13 上接 29页 4 1 对新安装检漏插件 应在地面以及现场进行多次 试验 确认无问题后投入运行 4 2 应设定专人经常检查隔爆型真空馈电开关的复 位按钮 发现有按上长时间送电现象 应及时松开 如 送不出电 应查明原因排除故障后送电运行 4 3 要经常定期检查隔爆型真空馈电开关内的接线 螺栓 螺帽松紧情况 绝缘老化 温度变化情况 发现松 弛或绝缘老化 应及时紧固 更换 以免虚接发热漏电 4 4 要将被保护线路电缆吊挂好 避免频繁损坏漏 电 使保护动作 4 5 定期检查欧姆表指示情况 发现绝缘阻值降低 保护不动作要及时停电检查修理直至正常 4 6 增大保持钩与分闸转轴的扣合接触面 改变调整 分闸转轴方法 便于调整 定期在分闸转轴转动部分涂 润滑油 保持转轴转动灵活 4 7 检修安装时 应将分闸转轴定位销扭 避免分闸 转轴在短期内错位