Nagy kapacitású túlfeszültség korlátozó varisztor

dr.

Flaviu Mihai FRIGURĂ-ILIASA

mérnök adjunktus

Analiza comparativă a impulsurilor de curent

Túlfeszültség elleni védelemi rendszerek alkalmazásának szükségessége Villámcsapás által átütött elektronikus áramkör Egyes elektronikus áramköröket gyártó cégeknek nincs érdekében, hogy a termékeiket megvédjék a túlfeszültségek ellen. Gyakorlatilag az így megrongálódott berendezések kiegészítő jövedelmekhez juttattják őket a szervízszolgáltatásokkal és a defektes alkatrészek cseréjével.

Túlfeszültség elleni védelemi rendszerek alkalmazásának szükségessége

Elektromos impulzus által megrongálódott Back-rack Általában csak a végső felhasználó érdeke, hogy ilyen készüléket felszereljen, mivel az ilyen módon keletkező károk amelyek a berendezés kiesése miatt keletkeztek olykor nagyobbak, mint a defektes alkatrész cseréjének költsége.

I s U (névleges feszültség) Impulzushullám A védelmet ígénylő Párhuzamos védelem (változtatható ellenállás) Párhuzamos védelem elvi kapcsolása elem Túlfeszültség elleni védelmek

•

Fém-oxidos varisztorok

•

Gázos túlfeszültság-levezető

•

Folytó diódák

•

Folytó tirisztorok

•

Félvezető polimerek ELEKTRONIKUS RENDSZEREK Túláramvédelmek

•

Ultragyors olvadóbiztosítók

•

Nagyteljesítményű biztosítók

•

Rel ék Az elektronikai berendezések védemének fő típusai

a). b). c). d).

Kisfeszültségű varisztorok típusai ZnO bázisvarrisztorok kisfeszültségű alkalmazásoknak

Szigetelő részecskék R i L R g Pori ZnO szemcsék Szemcsék közti csatlakozások C i ZnO szemcsék Szemcsék közti csatlakozások Elemi varisztor elvi kapcsolása Elektronikus mikroszkóp által mutatott ZnO alapú varisztor Gyanta alapú szigetelés Szennyeződési szemcsék Alumínium elektróda

• d

g Szemcsék közti csatlakozások ZnO szemcsék

•

H d g ZnO alapú varisztor mikroszerkezete : a). elméleti (idealizált); b) reális.

Varisztor elvi metszete

Varisztor gyártásának technológiája

Anyag ZnO MnO 2 Cr 2 O 3 Co 3 O 4 NiO Bi 2 O 3 Sb 2 O 3 B 2 O 3 MgO Al(NO 3 ) 9 Anyag ZnO MnO 2 Cr 2 O 3 Sb 2 O 3 B 2 O 3 MgO Al(NO 3 ) 9 Sz ázalék [%]

82,25 0,75 1,32 2,09 0,648 4,047 8,862 0,0756 0,0438 0,0260

Sz ázalék [%]

87,45 1,843 1,515 9,0466 0,0756 0,0438 0,0260

Tömeg [g] 500 g-os keverék

411,28 3,75 6,601 10,457 3,244 20,235 44,345 0,378 0,219 0,130

Tömeg [g] 500 g-os keverék

437,25 9,215 7,575 45,233 0,378 0,219 0,130

A varisztor eredeti vegyi összetétele (5 oxiddal) A varisztor eredeti vegyi összetétele (5 oxiddal) keverés után préselés után összeolvasztás után az elektródák lerakása után a drótok beültetése után epoxi gyantával való bevonás után A technológiai folyamat fő szakaszainak eredményei

ZnO alapú varisztorok kiválasztásának algoritmusa

1. A varisztor típusának, névleges feszültségének meghatározása; Meghatározzuk az anyagot és annak magasságát.

2. A maximális áram,- felvett energia és disszipált hő számítása (és ellenőrzése); Kiszámítjuk a varisztor átmérőjét (vagy térfogatát).

3. Összehasonlítjuk a feszültségeket és maradékáramot amely átmegy a túlfeszültségvédelmi berendezésen, mint csúcsérték, a túlfeszültségek átmeneti maximális értékével amelyek megjelenhetnek a védett berendezésben (biztonsági számítások).

A választott értékeket le ellenőrizzük.

P dez P dis [W] P dez2 Kifejtett teljesítmény:

P dez



U



I



U



A

(

U

) 

T

2 

e



q e

 

k



T

(

U

)

Teljesítményveszteség:

P dis

  

S l

    

a



P dis3 P dis2 P dis1 A P cr P dez1

θ a2 θ a1 θ e ` θ e

E

θ cr

A varisztor hőegyensúlya.

θ i θ i `

θ [˚C]

Technikai megoldások a hőegyensúly javítására:

W = Q = m v · c v · Δθ 1

•

Két termikusan összekapcsolt varisztor párhuzamos beszerelése

W = Q =( m v1 · c v1 + m v2 ·c v2 )· Δθ 2

•

Póttömeg használata

W = Q = Q v + Q a = (m v · c v + m a · c a ) Δθ 2

ÁRAMIMPULZUS W W VARISZTOR W = Q = m v ·c v ·Δθ 1 PÓTTÖMEG Póttömeg használatának elve.

W = Q = Q v Q v = m v ·c v ·Δθ 2 + Q a Q a = m a ·c a ·Δθ 2

Nagykapacitású túlfeszültség-korlátozó zinkoxidos varisztor (

Találmányi szabadalom RO117052B)

a).

Nagykapacitású túlfeszültség-korlátozó zinkoxidos varisztor. Metszetek két varisztorban.

Algoritmus ZnO alapú varrisztor kiválasztásához

III Lépés Biztonsági-ellenőrzési tesztek

Áram-feszültség karakterisztika ellenőrzése (villamossági számítások ellenőrzése) Osztó 1:1000 Kompatibilis számítógép PC Programozható egyenáram táp FUG - HP 64488 0 – 12500 V I max = 25 mA Digitális Voltméter

•

RACAL-DANA

•

6000 VARISZTOR Berendezés állandó üzemű próbákhoz.

A berendezés kapcsolási rajza állandó üzemű próbákhoz Digit ális amperméter Keithley 619

Algoritmus ZnO alapú varrisztor kiválasztásához

III Lépés Biztonsági-ellenőrzési tesztek

A melegedés ellenőrzése (hőszámítás ellenőrzése)

0,13 μH Voltmérő 1 / 1000 Transzform átor Egyenirányító 250 kΩ Túlfeszültség levezető 0,64 μH VARISZTOR 230 V 50 Hz Aut ótranszformátor 50 kΩ 180 μF 6 kV 0,04 μH 54,6 MΩ 1 kΩ μA 0,25 Ω Ampermérő szondával 0,01 V/A Az impulzusgenerátor villamos kapcsolása

Algoritmus ZnO alapú varrisztor kiválasztásához

III Lépés Biztonsági-ellenőrzési tesztek

A melegedés ellenőrzése (hőszámítás ellenőrzése)

Az impulzusgenerátor összeállítási nézete

Algoritmus ZnO alapú varrisztor kiválasztásához

III Lépés Biztonsági-ellenőrzési tesztek

43 41 39 37 35 33 31 29 27 0

Varrisztorra alkalmazott impulzus oszcilogrammája 230 Vef, átmérője 7 mm Evoluţia în timp a temperaturii pentru varistorul 230 Vef 7 mm, în procesul de răcire

150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350

Tim p [s] Varrisztorra alkalmazott 8/20 impulzus oszcilogrammája 230 Vef , átmérője 20 mm

41 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 0

Evoluţia în timp a temperaturii pentru varistorul 230 Vef, 20 mm, în procesul de răcire

150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350

Tim p [s]

Algoritmus ZnO alapú varrisztor kiválasztásához

III Lépés Biztonsági-ellenőrzési tesztek

Varrisztorra alkalmazott 8/20 impulzus oszcilogrammája 230 Vef, átmérő: 30 mm Varrisztorra alkalmazott 8/20 impulzus oszcilogrammája

30 29.5

29 28.5

28 27.5

27 26.5

26 25.5

25 0

Evoluţia în tim p a tem peraturii pentru varistorul 230 Vef 30 m m , în procesul de răcire

150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350

Timp [s]

35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 0

48 Vcc, átmérő: 7 mm 48 Vcc, 7 m m , în procesul de răcire

150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350

Timp [s]

A varisztor teljesítményének meghatározása 50 Hz-en

RS vagy USB csatolás Digitális oszcilloszkóp IBM PC kompúter

•

(opţional) szabályozható transzformátor 230/500 Vef C V R V Ir Ic VARISTOR

•R

d Kapcsolási elrendezés alternatív villamos energiában való mérésekre

A varisztor teljesítményének meghatározása 50 Hz-en

Áramerősség [A] Feszültség V x 20[V] Az áramerősség hullám formája egy varisztorban 230 Vef feszültségen Varisztor típusa 230Vef Ic max [A] C V [nF] ε r 7 mm 20 mm 30 mm 1,32 ·10 -5 1,13 ·10 -4 2,57 ·10 -4 0,12 1,03 2,33 1044 1038 1046 Varisztor típusa 48Vcc 7 mm Ic max [A] 3,01 ·10 -6 C V [nF] 0,17 ε r 468 Idő [s]

VÉGSŐ KÖVETKEZTETÉSEK

 

a túlfeszültségvédők, amelyek ZnO alapú varisztorokat használnak, a legmodernebb alacsonyfeszültségű hálózatokban, nyilvánvaló előnyeik miatt; mivel a nemzeti szükségessége; és a leghatékonyabb szabványok technikai nincsenek még megoldások, kidolgozva a túlfeszültségvédelemet illetőleg az alacsonyfeszültségű hálózatokban, magától adódik európai és nemzetközi szabványok betartásának



a védelmi modulok nagy változatossága található 400V-os háromfázisú hálózatoknak, de a legüzembiztosabbak közülük azok, amelyek három varisztort használnak, amelyek a fázisvezeték és a nullavezeték, a nullvezeték és földelés és a fázisvezeték és földelés közé vannak kötve és ezeket ajánlatos az elektronikában használni;



ami a varisztorok gyártási technológáját illeti, meg kell említeni, hogy sok tényező befolyásolhatja a varisztorok minőségét és emiatt nagy az empirikus tényező;



a ZnO alapú varisztorok gyártási technológiája elég komplikált és igényes és egy olyan fázisba érkezett, amelyben a termikus teljesítmény növelése nagyon nehéz anélkül, hogy a villamos teljesítmény ne romoljon;

VÉGSŐ KÖVETKEZTETÉSEK

• tekintve az elektronikus berendezések jellegzetes terhelését, javasolva

lett egy algoritmus a varisztorok kiválasztásához és tervezéséhez, amely három lépésen alapul, amelyek a kövekezők:

• a varisztor típusának és névleges feszültségének kiválasztása

(villamos számítások);

• a legnagyobb elviselhető áram kiszámítása ( és ellenőrzése), az

átvett energia legnagyobb elviselhető árama és a disszipációs hő;

•a túlfeszültségvédő berendezés által elviselt reziduális feszültség és

áram összehasonlítása, mint csúcsérték, az időszakos túlfeszültség maximális értékével amelyek a védett berendezésben jelenkezhetnek (biztonsági számítás).



a védelmi modulok árai nagyon alacsonyak a védett berendezés árához képest. Ha ezeket sorozatgyártják, az áraik nem haladják meg száz eurót árát, amely sokkal kisebb mint a védett berendezés ára, amely több ezer vagy több százezer euró lehet, vagy a keletkező kár;

VÉGSŐ KÖVETKEZTETÉSEK

• olyan alkalmazásoknak, ahol a táp 50 Hz-es váltóáram, vagy egyenáram,

lehetséges a varisztor dielektromos kapacitásának meghatározása egy sokkal egyszerűbb módon, egy kétcsatornás oszciloszkóp segítségével, amelynek szerepe az, hogy a csúcsértékeket mérje;



ha a táphálózatban perturbáció van, a túlfeszültségvédelmi modulok szűrőként működnek még akkor is, ha ez nem a fő szerepük;



VÉGSŐ KÖVETKEZTETÉSEK

 

a hőstabilitás elemzésének globális módszere feleleteket ad olyan problémákra mint ami a ZnO alapú varisztorok stabil,- és instabil hőegyensúlya. Ebből a módszerből kiindulva technikai megoldásoket lehet javasolni a ZnO alapú varisztorok hőhatás alatti viselkedésére ; a varisztoron átmenő áram függ annak hőmérsékletétől. Ha nincsenek intézkedések foganasítva a hőegyensúly megteremtésére, az áram ellenőrizhetetlenül nőhet és a varisztor „hőmegszaladását” okozhatja; két párhuzamos kapcsolású varisztor közti vezetési hőkapcsolás csak akkor hasznos, ha a két varisztor villamos karakterisztikái kissé eltérnek egymástól (a küszöbfeszültségek-U N 5% -ig térnek el egymástól). Akkor is, ha mindkét varisztor veszít a hőleadó felületéből, a hőmérsékletek, és áramok kényszerhelyzetben vannak, hogy kiegyenlíődjenek ;



Ha a varisztorra rézelemeket szerelünk, ez elősegíti a rendszer hőstabilitásának javítását, használat közben kismértékben radiátorként működnek, de impulzusos üzemmódban „hőakkumulátorként” működnek és felveszik a variszztor által fejlesztett hőt, amelyek az impulzusok hatására jelentkeznek

; 

a kísérleti eredmények teljes mértéken alátámasztották a számtani modelt és az elméletet.