家用电器电动机及变压器的自复电路保护

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家用电器电动机及变压器的自复电路保护

    保护家用电器和专业电器设备中使用的电动机,防止因为机械负荷超载、过热、失速或堵转、中线脱落、电压严重过载、潮湿和其他因素而造成损坏,是设备制造商极为关心的问题。新一代PPTC(高分子聚合物正温度系数)自复电路保护器是针对电源电压为交流120V和240伏的产品而设计的,它能够帮助家电设计师设计安全的产品,防止出现火灾,并且减少产品由于电动机或者变压器出现故障而退回返修和更换电动机的费用。

  过流保护电路保护技术的比较

  保护电子电路防止由于电流过载和过热而造成损坏,是很多电路保护技术的主要功能。在过去,是用熔断器或者可熔化的连接线来实现这种保护功能。但是,今天在使用电动机的系统中,自复保护器,例如PPTC器件、陶瓷PTC的(CPTC)器件和双金属断路器,是首选的电路保护方案。在出现故障后,这些器件通常不需要更换,在切断电源以及/或者电流过载的根源排除之后,电路就可以恢复到正常的工作状态。

  CPTC器件的保护功能是可以自动恢复的;不过,由于它们的工作温度相对较高、电阻大、尺寸大, 它们的应用可能会受到限制。许多电器和使用电动机的系统常常会受到冲击、振动、在高温和低温时会产生热应力,在这种情况下,由于CPTC器件的材料往往是脆性的,容易损坏。

  传统的双金属断路器广泛地用于保护电器中的电动机,但是它们不能保持断开的状态,需要另外采取措施,防止它们反复地接通和断开。双金属片是用两种不同的金属粘结在一起的。当电流超过双金属断路器的额定电流时,过大的电流所产生的热量会引起双金属片弯曲,因而引起一组触点断开,将电流切断。由于没有电流流到电路中,双金属保护器会回到正常状态,触点接通,所以电流 恢复流动。在电动机堵止的情况下,双金属断路器的触点会一直反复地断开、闭合,一直到把电源切断。

  双金属断路器会的触点反复断开、闭合,这有几个缺点。这些缺点包括材料疲劳,触点容易损坏,产生火花或者触点会熔化。如果双金属断路器的触点不能断开,过大的电流会损坏电动机以及敏感的电子电路。由于可能存在噪音或者"颤振"和电磁干扰(EMI),双金属断路器不能用于先进的电子控制系统。

  间歇运行电动机的保护技术

  间歇运行的电动机,例如搅拌器和食品加工设备中使用的电动机,通常是工作一段有限的时间。一般地说,如果这些产品工作的时间超过了设计的最高极限,通常会导致电动机不转动、过热,最终损坏。由于触点出现故障或者使用者误用,会导致故障,而电源却仍然加在电动机上。

  为了防止过热,使用的电路保护器的“动作”必须很快,但是不要比原先打算的快,避免给使用者带来厌烦。在设计方面的挑战是要制定一个保护计划,它能有效地保护电动机,又不会出现令人感到厌烦的误动作。

  在某些使用机械化设备中,一些电气元件在启动时电流很大,电路保护器的滋扰性动作往往与它有关。PPTC电路保护器的主要优点是,为了避免滋扰性的动作,可以指定一个动作电流,它比电动机正常工作时的电流低很多,但是它的动作时间是系统工作周期的几倍。

                               

            图1 PPTC保护器在电动机电路中的典型应用

  如图1所示,PPTC保护器可以安装在电动机的电路中起保护作用,防止因为电流过大或者过热而损坏电动机。如果把这个器件装在电动机里面,它会对电动机中流过的电流作出反应,也会对温升作出反应,在出现故障时,温度就会升高。

  连续运行电动机的保护技术

  连续运行的电动机,例如在电冰箱和空调设备使用的电动机,都针对体积和成本进行了优化。因为它们还带动风扇,有一部分气流会在电动机上流过,因而电动机可以在发热更多的情况下工作,否则是不可以的。因此,风扇电动机不转动时的电流一般只有运行电流的两倍,相比之下,用在其他产品上时,一般是三到四倍。当风扇不转动时,要求熔断器会可靠地熔断,而在电动机接通电源时,它并不会熔断──这是很讨厌的。所以要找一个这样的熔断器,并且确定它的容量,就变得很复杂。

  在讨论间歇运作电动机时,我们看到,PTCC器件在保护电动机方面有明显的优点。电动机的弱点随着温度而改变,随之改变PTCC器件的特性,可以反应慢一些──如果需要的话。

生产的组装工艺。

在电动机带动风扇的情况下,由于有气流流过,对PPTC器件和电动机两者都有益。用这个方法,PPTC器件的动作电流将大幅度上升,这是因为有气流,不会达到动作的温度。但是,不论是什么原因,如果风扇不转动,于是没有气流,失去了气流的冷却作用,电动机的温度会很快上升。这种状况会引起PPTC器件动作,从低电阻状态变成高电阻状态,于是限制了流到电动机的电流。

  PPTC和一次性使用的熔断器不同,在出现故障,电流略有上升就会引起温度上升的情况下,它能够防止动电机损坏──只要一次性地安装一个元件,就可以实现电流过载保护和过热保护。

  PPTC器件在应用设计方面的考虑

  在把PPTC器件用到电路中去时,在设计方面要考虑的参数有:保持电流和动作电流,环境对器件性能的影响,器件的自复时间,在进入高电阻状态后的泄漏电流,以及自动恢复或手动恢复的条件。

  保持电流及动作电流

  图2是PPTC保护器的保持电流和动作电流随温度的变化。区域A是PPTC器件动作,由低阻状态变成高阻状态,起电路保护作用的电流和温度。区域B是电路可以处在正常工作状态的PPTC器件电流和温度。在区域C,PPTC器件有可能动作、进入高电阻状态或者仍然处在低电阻状态,这取决于具体器件的电阻及其环境。

              

                图2 保持电流和动作电流随温度的变化

  由于PPTC器件会因为发热而动作,进入高电阻状态,器件周围温度的任何变化会影响PPTC器件的性能。随着PPTC器件周围的温度升高,为了使它进入高电阻状态所需要的能量下降,因此保持电流(I保持)下降。陶瓷PTC以及高分子聚合物PTC制造厂商提供热降额曲线和I保持随温度的变化,帮助设计师选择适当的器件。

  环境条件对器件性能的影响:

  PPTC器件的传热环境会显著地影响它的性能。一般地说,提高器件的传热性能,功耗、动作时间和保持电流也会相应地增大。如果从器件的传热性能下降,情况则相反。此外,改变器件的热容量,它的动作时间会改变。

  PPTC器件的动作时间定义为,从出现故障电流开始到器件进入高电阻状态所需要的时间。动作时间与故障电流的大小和环境温度有关。

  当热量发散到四周环境的速度低于产生热量的速度时,PPTC器件就会动作,进入高电阻状态。如果产生的热量大于散发到四周环境的热量,器件的温度就会升高。温度上升的速度和器件动作进入高电阻状态所需要的总能量取决于故障电流和传热环境。

  在正常工作的情况下,器件所产生的热量和散发到四周的热量是平衡的:

  I2R = U(T-TA)

  式中:I = 在器件中流过的电流,R = 器件的电阻,U = 总的热传导系数,T = 器件的温度,TA = 环境温度。

  不论是电流增大或者环境温度上升,还是电流和环境温度两者都上升,都会引起器件的温度升高到某个数值,这时它的电阻迅速增大。由于电阻发生很大的变化,相应地引起电路中的电流下降,从而保护电路不会损坏。

  保持电流是指器件无限期地保持低电阻状态、不会从低电阻状态进入高电阻状态的最大稳态电流。保持电流可以相当准确地由传热环境确定,设计时所作的选择会影响保持电流的大小,其中包括把器件放在靠近发热源的地方,例如变压器,这样会降低保持电流、功耗及动作时间。

  结语

  PPTC器件的电阻小,从低电阻状态进入高电阻状态的动作过程很快,器件薄,能够自动恢复,这些特点可以帮助电路设计人员设计一个安全、可靠的产品,并且符合监管机构的要求。泰科电子公司的“PolySwitch”LVR器件可以广泛用于家电设计,符合UL 1434标准和CSA标准,可以用于电视机,符合RoHS法规的要求,并且可以使用无铅焊料和大批量

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