NTC热敏电阻在电机软启动中的应用-华巨电子


摘要:文中提出了三种直流马达软启动方案:负温度系数热敏电阻软启动、继电器延时软启动、MOSFET线性放大软启动,并分析了各方案的原理和特性,给出了实验结果。原理分析和实验结果表明三种方案都可以有效抑制马达的启动电流,能实现直流马达的软启动。通过对比,给出了三种方案各自的应用场合。

关键词:软启动;直流马达;NTC(Negative Temperature Coefficient);继电器;MOSFET


1、概述

直流马达的工作等效电路如图1所示。稳态运行时,电枢回路方程为:

式中,U为直流马达供电电源电压;E为马达绕组上的反电动势;IR为绕组上的压降。起动瞬间,n=0,E=0,而R 很小,因此

式中,Ist为启动电流,将达到很大数值,通常为额定电枢电流的十几倍甚至更大,造成电网电压突然降低,影响电网。供电直流电源的规格要更大,以满足瞬间大电流冲击,同时也使马达本身遭受很大的电磁力冲击,严重时会损坏马达。因此,适当限制马达的启动电流是必要的。针对此问题,本研究提出了三种马达软启动方案:NTC(Negative Temperature Coefi—cient)热敏电阻软启动电路、MOSFET线性放大软启动电路、继电器延时软启动电路。三种方案的原理:启

动瞬间,降低马达两端的启动电压,以较小的电流启动马达,使电机电流逐步上升到额定值,从而限制启动瞬问的大电流冲击。


2、三种软启动电路结构及原理

2.1 NTC软启动电路

NTC thermistor是负温度系数热敏电阻,其电阻值随着温度的升高而降低,可有效抑制瞬间大电流冲击。由其组成的直流马达软启动电路如图2所示。把合适功率、阻值与温度系数的NTC串人马达的供电回路。当马达启动时,由于NTC热敏电阻以一定的阻值串人马达的供电回路,可以有效地把启动电流限制在规定范围之内。随着大电流的流过,NTC热敏电阻逐渐发热,阻值减小。当马达顺利起动后,NTC发热后,阻值很小,电能损耗较小。

2.2 继电器(Relay)延时软启动电路

在电机的供电回路中串接一个电阻以限制启动电流,当电机稳定启动后,再把串接的电阻短路。上述过程可通过继电器来实现,如图3所示。上电时,电容从零开始充电,三极管截止,限流电阻串接在电机的供电回路中,当电容电压上升到使稳压管导通时,三极管开始工作,继电器吸合,使得电机全电压工作。继电器的延时时间由电机的启动时间决定,由串联的电阻和电容调整。

2.3 MOSFET线性放大软启动

该方案的电路如图4所示。由图可知,上电后电容从零开始充电,因此MOSFET栅极与源极之间的电压也从0开始升高,MOSFET漏极、源极阻抗也是逐渐降低(MOS的线性放大区),这样就可以使电机线圈中的电流逐渐增大,当MOSFET栅极与源极之间的电压增大到使MOSFET基本导通时,电机正常运行。

3、实验分析

为了验证效果,分别对三种软启动电路在实际马达中进行了实验。马达回路串接NTC热敏电阻和不接NTC热敏电阻在同一负载(测试时电机的扭矩为63 kg·cm)下进行了实验,图5、图6分别为不接NTC、接NTC时马达绕组的冲击电流波形。从图中可以看出,启动瞬间,加了软启动电路的电流仅为未加软启动电路的1/4,可以有效抑制启动电流。这个电路的特点是简单、价廉,但当马达频繁起动时,限流效果较差,因为此时NTC温度较高,阻值较小,达不到很好的限流效果,所以频繁启动的马达不宜采用此软启动电路。

图7、图8是继电器延时软启动电路的实验波形。测试时电机的负载扭矩为16 kg·cm,图7、8分别为不加软启动、加软启动时马达绕组的启动电流波形。从两图对比可知,加软启动后,马达仍存在一定的电流冲击,但已有很好的抑制效果。由于在启动瞬间,马达绕组中串入了大功率电阻,体积较大,这种电路通用性较强。

图9、10为MOSFET线性放大软启动电路实验波形,测试时电机的负载扭矩为63 kg·cm。它们分别为不加软启动、加软启动时马达绕组的电流波形。从图可知,不加软启动时,电流冲击为30 A左右,加软启动电路后,启动电流为8 A左右,很好地抑制了启动冲击电流,保护了马达和供电电源。但由于加入了MOSFET,马达工作中,始终会有电流流过MOS—FET,因此MOSFET易发热,实际应用中需要安装散热器,此电路主要应用在中小功率马达中。


4结论

直流马达直接启动的冲击电流对马达寿命及性能有较大影响,基于此,文中提出了三种软启动方案,分析了各电路特点,给出了主要应用场合。实验证明,三种软启动电路都可有效降低马达启动的冲击电流,有效保护了电源装置和马达本体。这些软启动方案,为实际马达应用系统提供了有益的借鉴。

5.主要技术参数 

型号

R25

最大稳态电流

25℃下最大电流时近似电阻值

片径Φ

耗散系数

热时间常数

工作温度

(Ω)

(A)

(Ω)

(mm)

(mW/℃)

(S)

(℃)

芯片直径:(13-35)mm

-55~+250

SCD-10R01.7101.70.0315860

SCD-20R01

2010.475860
SCD-1R09190.032131363
SCD-1R391.390.042131363
SCD-1R591.590.043131363
SCD-2R58-132.580.048131363
SCD-3R08380.052131363
SCD-4R07470.068131363
SCD-5R07570.078131363
SCD-6R06660.090131363
SCD-7R06760.098131363
SCD-8R06860.104131363
SCD-10R061060.126131363
SCD-12R051250.146131363
SCD-15R041540.155131363
SCD-16R041640.158131363
SCD-20R042040.192131363
SCD-30R3.5303.50.237131363
SCD-47R034730.340131363
SCD-60R2.5602.50.420131363
SCD-121R2.51201.80.994131363
SCD-2R58-152.58

0.086

152175
SCD-1R3101.310

0.034

152275
SCD-1R5101.510

0.036

152275
SCD-2R59.52.59.5

0.044

152275
SCD-3R093.09.0

0.046

152275
SCD-5R085.08.00.058152275
SCD-6R076.07.00.069152275
SCD-7R077.07.00.078152275
SCD-8R078.07.00.084152275
SCD-10R0710.07.00.098152275
SCD-12R0612.06.00.116152275
SCD-15R0615.06.00.125152275
SCD-16R0616.06.00.129152275
SCD-20R0620.06.00.136152275
SCD-30R0530.05.00.165152275
SCD-47R0447.04.00.357152275
SCD-121R2.51202.50.652152275

SCD-0R716

0.716

0.026

20

29

110

SCD-1R016

1.016

0.027

20

29

110

SCD-1R020-20

1.020

0.020

20

29

113

SCD-1R515

1.515

0.030

20

29

110

SCD-2R014

2.014

0.035

20

29

110

SCD-2R512

2.512

0.060

20

29

110

SCD-2R513

2.513

0.055

20

29

110

SCD-2R515

2.515

0.046

20

29

110

SCD-3R012

3.012

0.040

20

28

110

SCD-4R012

4.012

0.043

20

28

110

SCD-4R712

4.712

0.046

20

28

110

SCD-5R010

5.010

0.049

20

29

110

SCD-5R012

5.012

0.047

20

29

110

SCD-6R011

6.011

0.052

20

29

110

SCD-6R810

6.810

0.055

20

29

110

SCD-7R010

7.010

0.075

20

28

110
SCD-8R098.09

0.058

20

28

110

SCD-10R08

10.08

0.085

20

29

110

SCD-12R07.5

12.07.5

0.112

20

29

110

SCD-15R07

15.07

0.123

20

29

110

SCD-18R07

18.07

0.122

20

29

110

SCD-20R06

20.06

0.132

20

29

110

SCD-20R07

20.07

0.122

20

29

110

SCD-25R0625.06

0.168

20

29

110

SCD-30R0630.06

0.195

20

29

110

SCD-47R0547.05

0.325

20

29

110

SCD-120R03120.03

0.658

20

29

110

SCD-0R522

0.522

0.017

25

30

130

SCD-0R722

0.722

0.018

25

30

130

SCD-1R020-251.020

0.021

25

30

130

SCD-1R519

1.519

0.024

25

30

130

SCD-2R018

2.018

0.026

2530

130

SCD-2R516

2.516

0.029

2530

130

SCD-3R015.5

3.015.5

0.032

2530

130

SCD-4R015

4.015

0.039

2530

130

SCD-4R714

4.714

0.044

2530

130

SCD-5R014

5.014

0.047

2530

130

SCD-6R812

6.812

0.061

2530

130

SCD-7R011

7.011

0.064

2530

130

SCD-8R010

8.010

0.079

2530

130

SCD-10R010

10.010

0.084

2530

130

SCD-12R09

12.09

0.102

2530

130

SCD-15R08

15.08

0.117

2530

130

SCD-18R08

18.08

0.125

2530

130

SCD-20R08

20.08

0.132

2530

130

SCD-0R530

0.530

0.013

3040

190

SCD-1R030

1.030

0.014

3040

190

SCD-1R525

1.525

0.016

3040

190

SCD-2R023

2.023

0.019

3040

190

SCD-2R520

2.520

0.023

3040

190

SCD-3R019.5

3.019.5

0.026

3040

190

SCD-4R019

4.019

0.031

3040

190

SCD-4R718

4.718

0.035

3040

190

SCD-5R017

5.017

0.037

3040

190

SCD-6R0176.017

0.042

3040

190

SCD-6R816

6.816

0.043

3040

190

SCD-7R015

7.015

0.044

3040

190

SCD-8R014

8.014

0.049

3040

190

SCD-10R013

10.013

0.056

3040

190

SCD-12R012

12.012

0.067

3040

190

SCD-15R011

15.011

0.078

3040

190

SCD-18R010

18.010

0.092

3040

190

SCD-20R09

20.09

0.113

3040

190

SCD-0R532

0.532

0.010

3555280

SCD-1R032

1.032

0.011

3555280

SCD-1R528

1.528

0.013

3555280

SCD-2R025

2.025

0.017

3555280

SCD-2R523

2.523

0.020

3555280

SCD-3R022

3.022

0.023

3555280

SCD-4R021

4.021

0.026

3555280

SCD-4R720

4.720

0.029

3555280

SCD-5R019

5.019

0.030

3555280

SCD-6R818

6.818

0.035

3555280

SCD-7R017

7.017

0.037

3555280

SCD-8R016

8.016

0.041

3555280

SCD-10R015

10.015

0.045

3555280

SCD-12R014

12.014

0.051

3555280

SCD-15R013

15.013

0.060

3555280

SCD-18R011

18.011

0.072

3555280

SCD-20R010

20.010

0.089

3555280


注:若非特别指出,R25的允许偏差为±20%。

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