【導(dǎo)讀】在工程機(jī)械電氣系統(tǒng)設(shè)計中不可避免地存在一些感性負(fù)載,如啟動線圈、繼電器、電磁閥、電喇叭和空調(diào)離合器等。當(dāng)斷開或接通這些感性負(fù)載的電源時,都將在電感線圈兩端產(chǎn)生高于電源電壓幾倍乃至幾十倍的反向瞬時電動勢,這種因電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的脈沖電壓不僅能使控制器件的觸點間產(chǎn)生電擊穿,出現(xiàn)飛弧放電現(xiàn)象,而且能使其他電子儀表或元件性能惡化甚至損壞,大大降低其壽命和可靠性。
1 脈沖電壓的形成
一般感性負(fù)載可等價如圖1所示。
IR電路在電源開關(guān)閉合瞬間,電壓及電流都隨時間而變化,稱為過渡過程。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象,是由于當(dāng)線圈中電流變化時,線圈本身就產(chǎn)生自感電動勢來阻礙電流的這種變化。由于這種阻礙作用,經(jīng)過一定時間以后電壓及電流才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的63%所需時間稱為時間常數(shù)T,可由下式表示。
L愈大,R愈小,時間常數(shù)就愈大,與電源電壓的大小無關(guān)。
由于線圈的自感而產(chǎn)生的反向電動勢的幅值可由式(2)計算。
式中:
——線圈兩端的反電動勢幅值;
——線圈中流過的電流;
L——線圈中的電感;
——開關(guān)觸點的分布電容。
當(dāng)控制開關(guān)切斷電路時,瞬時脈沖電壓將產(chǎn)生電弧,電弧是由于氣體中有大量的帶電粒子作定向運動而產(chǎn)生的。觸點在分離的瞬間其間隙很小,電路電壓幾乎全部降落在觸點之間,在觸點間形成很強(qiáng)的電場從而產(chǎn)生撞擊電離、熱電子發(fā)射和熱電離現(xiàn)象導(dǎo)致飛弧。飛弧的產(chǎn)生將加快觸點表面的氧化,嚴(yán)重的將燒蝕觸點而發(fā)生故障。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展,越來越多的集成電路用于工程機(jī)械,瞬時脈沖也將對這些低電平敏感電路產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾,使控制誤差加大乃至控制失常。
2 抑制措施
常規(guī)設(shè)計中所選用的繼電器、電磁閥、電喇叭等感性負(fù)載部分沒有瞬時反電勢的抑制措施,這常導(dǎo)致電氣部分故障率升高,因此很有必要采取反電動勢的抑制措施。從簡單實用的角度出發(fā),常用的抑制網(wǎng)絡(luò)如下:
(1)D網(wǎng)絡(luò)
如圖2,該網(wǎng)絡(luò)常裝在線圈兩端,在開關(guān)斷開瞬間電感線圈兩端的反電勢被續(xù)流二極管鉗位于1V以下,故該網(wǎng)絡(luò)對反電勢的抑制效果較好。但由于電能損耗少,電磁機(jī)構(gòu)的動作頻率降低很多。續(xù)流二極管的選取一般為:耐壓值≥電源電壓,額定電流≥負(fù)載電流。
(2)R-D網(wǎng)絡(luò)
如圖3,在D網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上再串聯(lián)電阻R,可對動作靈敏度和反電動勢的抑制統(tǒng)籌兼顧,只要R、D選擇適當(dāng),應(yīng)用效果較好。R-D網(wǎng)絡(luò)通常置于線圈兩端,如圖3。D參數(shù)選擇可令R=0時用D網(wǎng)絡(luò)選擇法。R參數(shù)選擇分為兩步:第一步確定阻值,先用較大的可變電阻器串入,從幾十千歐逐步減小,直到電磁機(jī)構(gòu)動作速度滿足要求,同時又無干擾出現(xiàn),即可確定其阻值。第二步確定R的功率,由式(3)計算:
式中:
f——電磁機(jī)構(gòu)動作頻率;
——線圈中儲存的磁場能量;
——負(fù)載電阻;
——電路穩(wěn)態(tài)電流。
(3)R-C網(wǎng)絡(luò)
如圖4,在網(wǎng)絡(luò)中串聯(lián)電容C。網(wǎng)絡(luò)中電阻值的選擇可按式(4):
電阻的功率:
網(wǎng)絡(luò)中C值的選擇如下:
首先確定其電容值:
式中:
C的耐壓值:
式中:
E——電源電壓;
——電路穩(wěn)態(tài)電流;
——線圈的電阻;
R——網(wǎng)絡(luò)中的電阻;
——觸點的最小飛弧電流(可由《設(shè)計手冊》查得);
f——電磁機(jī)構(gòu)的動作頻率。
實踐表明,一般情況下上述三種網(wǎng)絡(luò)就近加于線圈兩端即可有效抑制瞬時反電動勢對電氣系統(tǒng)的破壞,提高整個系統(tǒng)的可靠性。對要求較高的場合,可在觸點上另加保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。
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