Применение позисторов в электрических машинах малой мощности
Матвеев А.В.
НОУ ВПО ИГУПИТ
E-mal: info@igupit.ru
Применение позисторов в электрических машинах малой мощности
Аннотация. В качестве датчиков температуры на реле электродвигателей применяются позисторы. Позисторы представляют собой резисторы с довольно большим отрицательным ТКС (температурный коэффициент сопротивления). При увеличении температуры, сопротивление позистора уменьшается, что используется для схемы отключения двигателя. В современных электродвигателях позисторная защита применяется в случаях, когда по току невозможно определить достаточно точную температуру электродвигателя. Это касается, прежде всего, электродвигателей с продолжительным периодом запуска, частыми операциями включения и отключения или двигателей с регулируемым числом оборотов.
Ключевые слова. Позистор, реле, электродвигатель, ТКС (температурный коэффициент сопротивления).
The Abstract: Posistors
are used as temperature sensors on relay electromotors.
Those are posistors with a fairly large negative TCR
(temperature coefficient of resistance). As the temperature increases, the posistor resistance decreases. In modern electromotors, the posistor
protection is used when it is impossible to define sufficiently axactly the temperature of an electromotor by its current.
This applies, first of all, to electromotors
with a prolonged starting period, frequent operations of turning the engine on
and off, and also to engines with a controllable speed.
The Keywords: Posistor, relay,
electromotor, TCR (temperature coefficient of resistance).
***
Обнаружено, что если
чистый стехиометрический
,
являющийся диэлектриком с величиной удельного сопротивления при комнатной
температуре (20
)
,
легировать примесями редкоземельных элементов, таких как церий, лантан,
самарий, ниобий и т.п., то превращается в полупроводник с величиной 
при 20 
около 
.
Значительная температурная чувствительность сопротивления полупроводниковых титанатов позволила разработать на их основе терморезисторы с положительным (как у металлов) ТКС, величина которого более чем в 10 раз превышает ТКС широко известных терморезисторов.
Терморезисторы с положительным ТКС, называются позисторами.
Одним из основных отличий позисторов от
терморезисторов является знак и величина ТКС, достигающая в узком интервале
температур для отдельных типов позисторов 60-100%/ (а в некоторых случаях и более).
Другое отличие состоит в том, что температурная зависимость сопротивления имеет сложный и неоднозначный характер, в силу чего в широком интервале температур ее нельзя аппроксимировать простым уравнением, какое описывает температурную характеристику терморезистора. Сопротивление позистора зависит не только от температуры образца, но и от величины приложенного к нему напряжения (варисторный эффект).
Благодаря особенностям керамики с ПТКС она находит применение одновременно как материал и для чувствительных температурных элементов, и для резисторов ограничения тока, и для нагревательных элементов.
Терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (позисторы) благодаря своим особым полезным свойствам находят широкое практическое применение. В настоящее время они используются обычно при токах, достигающих нескольких сотен миллиампер в установившемся режиме и нескольких ампер при переходных процессах.
При использовании позисторов необходимо знать следующие три основные характеристики:
1.
температурная зависимость сопротивления;
2. статическую характеристику (зависимость тока позистора от приложенного напряжения);
3. динамическую характеристику (зависимость тока через позистор от времени).
Так как позистор имеет два выводных конца, то с ним можно обращаться так же, как и с обычными резисторами и конденсаторами.
При использовании позисторов для индикации и изменения температуры, температурной компенсации радиоэлектронных цепей и т. д. рабочая точка выбирается на начальном участке ВАХ при малых напряжениях. При применении в релейных схемах измерения скорости потока, генерирования низкой частоты и т.д. рабочим является падающий участок ВАХ с отрицательной дифференциальной проводимостью (рис. 1).
Рис. 1. Статическая ВАХ позистора
Наиболее широко используемы схемы, где в качестве чувствительных элементов применяются позисторы. Действие этих схем основано на релейном эффекте.
В электрической цепи с терморезистором релейный режим возникает при последовательном соединении терморезистора и линейного резистора. Из принципа дуальности цепей, для получения аналогичного режима в цепи с позистором последний должен быть соединен параллельно с линейным резистором. Такая цепь должна питаться от источника тока большой мощности, обеспечивающей его постоянство в неразветвленной части цепи. Однако выполнение этого условия на практике затруднительно. Но при определенных параметрах электрической цепи неустойчивый или релейный режим может иметь место и при последовательном соединении позистора и линейного резистора. Он обусловливается теми же причинами, что релейный режим работы цепи с терморезистором: изменением напряжения питания цепи; изменением проводимости (сопротивления) линейного резистора; изменением условий теплообмена между позистором и окружающей средой.
Наряду со схемами реле, работающими на релейном эффекте, разработаны схемы, реагирующие непосредственно на изменение сопротивления позистора. Примером служит простая электрическая цепь с позистором и неоновой лампой, включенными параллельно (рис. 2), которая может быть использована в качестве указателя перегрева полупроводниковых приборов (диодов, управляемых вентилей, транзисторов), различных электрических машин и аппаратов, а также для сигнализации о превышении температурного режима в помещениях, рабочих камерах и т. д. При температуре свыше температуры Кюри сопротивление позистора резко возрастает, падение напряжения на нем увеличивается.
Для управления более мощными нагревателями в схему необходимо вводить реле, коммутирующее основную цепь (рис. 3).
Рис. 2. Схема с позистором работающая на релейном эффекте с неоновой лампой
Рис. 3. Схема теплового реле с позистором
Реле с позисторами, непосредственно реагирующие на изменение сопротивления, обладают достаточно малой инерционностью, большим сроком службы и отличаются простой в изготовлении и обслуживании [1].
Использование позисторов в качестве элементов ограничения тока.
Элементы ограничения тока на основе позисторов с соответствующими характеристиками вводят, последовательно соединяя их с выключателем рис.4. Такое включение позисторных элементов применяется для защиты цепи при коротком замыкании на нагрузке. При протекании большого тока выключатель размыкается и защищает источник и электропроводку от перегрева. Обычно длительность протекания тока от момента появления короткого замыкания до момента размыкания выключателя не превышает полупериода переменного тока. Элемент защиты на базе позистора, введенный последовательно с выключателем, при резком нагревании под действием тока короткого замыкания увеличивает собственное сопротивление за время, не превышающее ½ периода переменного тока, и тем самым предотвращает возникновение дугового разряда между контактами выключателя и повторное зажигание дуги в последующем цикле тока. Это позволит не только увеличить срок службы выключателей, но и уменьшить их размеры.
Рис. 4. Принцип ограничения тока с помощью позистора
Использования
позисторов для автоматического размагничивания.
Позисторы имеют два типа характеристик: с плавным линейным изменением сопротивления от температуры и с резким скачком сопротивления при превышении некоторой температуры. Позистры с характеристиками первого типа применяются в основном для температурной компенсации в транзисторных схемах. Позисторы с характеристиками второго типа используются в схемах размагничивания.
Использование позисторов для автоматического размагничивания в электрических машинах необходимо для получения переменного магнитного поля с убывающей амплитудой, тем самым обеспечивая высокую надежность этих устройств рис.5.
Рис. 5. Схема размагничивания с одним и двумя позисторами
При замкнутом ключе, сопротивление позистора колеблется от нескольких ом до нескольких десятков ом и при напряжении источника переменного тока 100В по обмотке размагничивания будет протекать ток в несколько ампер. Вследствие самонагрева сопротивление позистора возрастает, ток в обмотке размагничивания уменьшается, имея форму синусоиды с затухающей амплитудой, до некоторой стабильной величины. При замкнутом ключе в установившемся состоянии для того, чтобы протекающий ток размагничивания не оказывал отрицательного влияния на изображение, он не должен превышать по амплитуде нескольких миллиампер. Поэтому в установившемся состоянии значение сопротивления позистора желательно иметь не менее 100 кОм.
Пуск двигателя для вентилятора. Достоинство применения позисторов в вентиляторах заключаются в возможности
получения слабого обдува с помощью простой и надежной электрической схемы с
большим сроком службы.
Принципиальная схема применения позистора в вентиляторах приведена на рис. 6.
Рис. 6. Принципиальная схема пуска двигателя для вентилятора на позисторе
В переключателях современных вентиляторов применяются позисторы для пусковой компенсации. При протекании тока позистор нагревается, что ведет к повышению его сопротивления. В результате ток через позистор уменьшается, ограничиваясь некоторым сопротивлением R. Следовательно, в установившихся условиях ток ограничивается значением сопротивления R, за счет чего получают слабый обдув. Промежуток времени, протекающего от начала выключения до уменьшения тока, т.е. время компенсации пуска, определяется геометрическими параметрами позистора, условиями его крепления, температурной характеристикой сопротивления, начальным сопротивлением и допустимым напряжением позистора. Применяемые позисторы в каждом отдельном случае выбираются по форме и размерам сравнительно произвольно.
Компенсация пуска двигателя вентилятора представлена на рис. 7. В начальном состоянии при подаче напряжения на схему температура позистора низкая, и поэтому он имеет малое сопротивление, что обусловливает наличие большого тока запуска. А так как запуск двигателей вентиляторов с малой скоростью затруднен, применяют компенсацию пуска с использованием позистора. Характеристика, размеры и форма позистора выбираются на основании значения рабочего напряжения и времени компенсации пуска. В момент включения вентилятора сопротивление позистора низкое, а сопротивление термистора высокое. Поэтому пусковой ток, протекает через позистор, поступает в схему сильного обдува, и двигатель начинает вращение при большом пусковом моменте. По прошествии времени переходного процесса позистор и термистор самопроизвольно нагреваются. При этом сопротивление позистора растет, а сопротивление термистора падает и ток начинает течь через схему слабого обдува, обеспечивая малые обороты двигателя вентилятора.
Рис. 7. Схема с компенсацией пуска на позисторе и термисторе
Позисторное регулирование температуры в электродвигателях
Позистор используется, как температурный датчик для регулятора температуры, который характеризует довольно большое изменение сопротивления от температуры. Если осуществить фазовое управление тиристором, то можно получить простой регулятор температуры рис. 8.
Рис. 8. Схема регулирования температуры с позистором
Регулирование с применением позисторов имеет место в различного рода тепловых регуляторах. Использование позисторов в таких устройствах позволяет осуществить бесконтактное регулирование с малым колебанием температуры и избежать перегрева вследствие плохого механического контакта, а также сделать работу регулятора бесшумной [2].
Применяемые
позисторы в каждом отдельном случае выбираются по
форме и размерам сравнительно произвольно. Разнообразные температурные
характеристики сопротивления дают возможность выбора коэффициента изменения
сопротивления и температуры скачка сопротивления в соответствии с применением.
Реальные позисторы имеют мощность порядка нескольких
десятков ватт и обладают температурой резкого изменения сопротивления –
примерно до 200 .
Позисторная защита электродвигателей предпочтительней в тех случаях, когда по току невозможно определить с достаточной точностью температуру электродвигателя. Это касается, прежде всего, электродвигателей с продолжительным периодом запуска, частыми операциями включения и отключения (повторно-кратковременный режим работы) или двигателей с регулируемым числом оборотов (при помощи преобразователей частоты). Позисторная защита эффективна также при сильном загрязнении электродвигателей или выходе из строя системы принудительного охлаждения.
Недостатком позисторов является сравнительно большое время срабатывания
(порядка нескольких минут) [3,4]. Для увеличения пускового момента
электрических двигателей, а также лучшего переключения и регулирования скорости
вращения целесообразно использовать резонансный LRC колебательный контур. Если в
качестве нелинейного сопротивления с (ПТКС) использовать позистор,
то одновременно с улучшением пусковых характеристик можно обеспечить защиту
электродвигателя по току и напряжению [1,4].
ЛИТЕРАТУРА
1. Минкин С.Б. , Шашков А.Г. Позисторы / М.: Энергия, 1973. c. 263-268.
2. Полупроводники на основе титаната бария. / Пер. с яп. М.: Энергия, 1982. c. 81-85.
3. Андреев Ю.В., Лейкина Б.Б., Текстер-Проскурякова Г.Н. Шефтель И.Т. Материалы для изготовления позисторов. Электронная промышленность / 1986. №5. с. 67-69.
4. Кустов Т.В. Разработка технологии материалов и позисторов на их основе для защиты от электрических перегрузок // Автореф. дис. на соиск. уч. ст. к.т.н. СПб.: СПб. гос. электротехн. ун-т им. В.И. Ульянова-Ленина. 1997. 15с.
