CC BY
9
Электрофизические и тепловые характеристики полупроводниковых термосопротивлений коаксиального типа
Н.П. Воронова, М.А. Трубицин Ростовский государственный университет путей сообщения
Аннотация: Сильноточные полупроводниковые поликристаллические терморезисторы большой мощности коаксиального типа обладают большой массой и следовательно, значительно теплоёмкостью и теплостойкостью. В силу этого теплофизические и электрофизические процессы в них в установившихся и переходных режимах различны, что особенно сказывается в режимах, которые длятся доли или единицы секунд. Рассматриваются основные варианты работы таких терморезисторов в динамических режимах и приведены различные характеристики.
Ключевые слова: Терморезистор, тепловые и электрофизические характеристики, электродвигатели, электрофизические и тепловые характеристики полупроводниковых термосопротивлений коаксиального типа.
Традиционные пусковые и пускорегулирующие устройства для пуска и регулирования работы электродвигателей, кроме достоинств обладают и рядом недостатков, а именно: громоздки, дороги и неэкономичны в работе.
Наиболее перспективными являются устройства, построенные на сильноточных полупроводниковых терморезисторах (ПТР), обладающих целым рядом преимуществ.
К основным достоинствам этих устройств, следует отнести обеспечение автоматического пуска и регулирование работы по определенной ранее заданной программе, практически полное отсутствие коммутирующей аппаратуры, дешевизну, малые габариты, надежность, простоту конструкции и обслуживания во время работы[1-3].
Однако при разработке таких схем для запуска электродвигателей необходим правильный расчет основных параметров пускового устройства, т.к. неудачный выбор может привести к слишком быстрому разогреву тела ПТР, что эквивалентно включению двигателя в режиме короткого замыканиях [4].
Работа полупроводниковых терморезисторов большой мощности сопровождается расходом энергии как в установившемся, так и в переходном режимах работы. Мощность, затрачиваемая источником энергии в ПТР в переходном режиме работы расходуется на разогрев полупроводниковой композиции и нагрев окружающей среды омывающей тело терморезистора.
дТ
Эта мощность описывается уравнением : Р = а¥ (Тр - Тв) + ст——, (1)
дТв
где а - коэффициент теплоотдачи;
^ - поверхность охлаждения;
(ТР - Тв) - собственно температура поверхности ПТР и охлаждающего
воздуха;
с - удельная теплоёмкость;
т - масса терморезистора;
В дТ 0
В установившемся режиме — = 0 и вся затрачиваемая энергия
д?
расходуется только на компенсацию охлаждения окружающей среды. Поэтому мощность ПТР определяется только этим фактором и ограничивается предельно допустимой температурой . В переходном режиме характер процесса резко меняется.[4-7] .В начальный момент энергия сравнительно мала и растет практически с нуля и затрачивается в основном на повышение температуры ПТР(т.е. аккумулируется)
Будем считать режим переходным в течении того времени, пока мощность, расходуемая на охлаждение, не превышает 3-5% от мощности затрачиваемой на повышение температуры ПТР. Длительность переходного режима зависит от целого ряда факторов и в первую очередь от массы терморезистора. Таким образом в уравнении (1)теплоотдачей терморезистора можно пренебречь и записать его в следующем виде :
Р = ст — (2)
д?
в
Сопротивление терморезистора подчиняется уравнению РТ = А exp т (3)
Где: А и В постоянные величины (константы), зависящие от конструкции и материала ПТР.
При постоянном значении приложенного напряжения, мощность, потребляемая, в переходном режиме может быть представлена следующей зависимостью:
и2 и2 -в
Р =— =— exp т
РА
Решая совместно (2) и (4) получим
и2 — Аст В
—exp Т = ст , дt = —— exp т дt
А и2
Считая в первом приближении теплоемкость постоянной (независимой от температуры), после интегрирования получим :
Аст Т
? = —— ^
и2
Тм (В) Г ^ )
где ^ = I exp т Л - табулированный интеграл
0
Тм - предельно допустимая температура ПТР.
Отсюда следует, что время выхода терморезистора в установившийся режим при питании от источника напряжения прямо пропорцианально массе ПТР. Аналогичное решение получается при питании терморезистора от генератора тока и следовательно для большинства других случаев.
В слаботочных ПТР переходной режим, как правило, длится доли секунды и поэтому особой значимости с практической точки зрения не имеет. В ПТР типа СТ2-27, рассчитанных на токи порядка 7-10А, эта величина составляет 1-1,5с. В терморезисторах коаксиального типа большой
мощности, рассчитанных на токи 100-150А, длительность переходного процесса может достигать 4-5 с., а иногда и более.
Средняя мощность в течении переходного режима определяется в конечном итоге допустимой температурой Тм .
Р = ст(Тм -Т0) (6)
ср ? ^
и 2(Т - Т)
Или учитывая(5) и то, что Т0 = Тв получим Р =-м-—
АЗт
Мощность в установившемся режиме согласно (1), и считая, что в первом приближении Тм - ТР будет равна Ра = а¥(Тм - Т0) (7)
Допустимая перегрузка в переходном режиме определяется по
—р и2
следующей зависимости К =—^ =--(8)
Ра АаГЗт
Как видно, температура для данного типа терморезистора не зависит от массы самого терморезистора и длительности переходного процесса, а зависит в основном от условий охлаждения (типа конвекции) и значения приложенного напряжения. Однако не следует смешивать переходной режим с импульсным. При котором, подается длительность режима и мощность регулируется по допустимой граничной температуре, изменением значения приведенного напряжения. В этом случае справедлива зависимость (6) и величина средней мощности оказывается обратно пропорциональной длительности импульса. Она может достигать значительных величин и будет ограничиваться прочностью терморезистора на пробой или поверхностное перекрытие.
Если оценивать возможности перегрузки с конструктивной стороны, то согласно (8), существенную роль играют величина поверхности охлаждения ^, граничная температура полупроводниковой композиции Тт
конструктивная характеристика А, константа В и косвенно масса ПТР- т .
Существенное влияние на величину мощности оказывает то, что при больших ёё значениях и небольших временных интервалах нарастания температуры, могут возникнуть большие градиенты температур, приводящие к частичному или даже полному разрушению структуры терморезистора.
В связи с тем, что терморезисторы коаксиального типа не представляют собой монолитной полупроводниковой керамики[8-10]. В них не возникают критические значения термических напряжений. а это в свою очередь, позволяет в значительной мере увеличить скорости изменения температур, что выгодно отличает их от других типов ПТР.
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
^сек)
Рис.1 динамические характеристики ПТР
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2
' ' 1 (сек)
Рис.2 результаты обработки осциллограмм
Из этого следует, что зависимость допустимой мощности от времени не является монотонной кривой , а значит имеет две ветви : 1) восходящую часть (до максимума определяемого по рис.1) длительность которой в значительной степени определяется самоиндукцией цепи и обычно
кратковременна (сотые доли секунды); 2) падающую часть характеристики, которую необходимо учитывать при расчетах как в переходном, так и в установившемся режимах. Что собственно важно терморезисторов коаксиального типа.
Для количественной оценки изложенных теоретических положений были проведены исследования указанных ПТР.
Полученные в результате исследований основные динамические характеристики терморезисторов коаксиального типа представленные на рис.1 и рис.2.
Анализ данных полученных в результате проведенных исследований позволяет сделать следующие выводы:
1.Мощность потребляемая терморезистором в переходном режиме, значительно превосходит величину мощности в установившегося режима.
2.Изменение мощности и сопротивления ПТР изменяется по падающей части характеристики монотонно по времени, что позволяет без введения специальных условий использовать переход из одного режима в другой.
3. Переходной режим по мощности длится значительно дольше чем переходной режим по сопротивлению
4. При нормировании характеристик ПТР коаксиального типа (в эксплуатационных условиях) следует предусматривать возможность увеличения номинальной мощности в переходном режиме.
Запуск электродвигателей с помощью устройств построенных на терморезисторах, позволяет получить плавный, монотонный характер кривых тока и напряжения не вызывая заметных динамических воздействий на механизм привода.
Литература
1. Шефтель И. Т. Терморезисторы. М.: Наука, 1973. 416 с.
2. Шашков А.Г. Терморезисторы и их применение. М: Энергия,1967. 320 с.
3. Мэклин Э. Д. Терморезисторы. М.: Радио и связь, 1983. 203 с.
4.Геращенко О. А. Температурные измерения: справочник. Киев: Наукова думка, 1984. 494 с.
5. Винокуров В. И., Каплин С. И., Петелин И. Г. Электрорадиоизмерения: Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1986. 351 с.
6. Воронова Н.П., Трубицин М.А., Микаэльян Е.Ю. Поликристаллические термозависимые полупроводниковые сопротивления коаксиального типа и пусковые устройства на их основе // Инженерный вестник Дона, 2015, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3101
7.Игнатьев В.К., Никитин А.В., Перченко С.В., Станкевич Д.А. Динамическая компенсация дополнительной погрешности прецизионного АЦП // Инженерный вестник Дона, 2012, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2012/771.
8. Henry, M.P., Clarke D.W. The self-validating sensor: rationale, definitions and examples - Oxford: Department of Engineering Science, 1993. pp 585-610.
9. Xu, X. On-Line sencor calibration monitoring and fault detection forcemical processes //Maintenance and Reliability Center. - 2000. pp 12-14.
10.Соловьев Г.Е., Воронова Н.П. Тепловые и электрофизические характеристики терморезисторов коаксиального типа для запуска электродвигателей вентиляторов // Известия РГСУ. 2011. № 115. с.112-115
References
1. Sheftel' I. T. Termorezistory [Thermoresistors.] M, Nauka, 1973. 416 p.
2. Shashkov A.G. Termorezistory i ih primenenie [Thermoresistors and their usage]. M, Jenergija, 1967.320 p.
3. Mjeklin Je. D. Termorezistory [Thermoresistors and their usage].M, Radio i svjaz', 1983. 203 p.
4. Gerashhenko O.A. Temperaturnye izmerenija [Temperature measuring
reference book] spravochnik. Kiev. Naukova dumka, 1984. 494 p.
5. Vinokurov V. I., Kaplin S. I. Petelin I.G Jelektroradioizmerenija [Electrical and radio metering]. Uchebnoe posobie dlja vuzov. M.Vysshaja shkola, 1986. 351 p.
6. Voronova N.P., Trubicin M.A., Mikajel'jan E.Ju. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2015, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3101.
7. Ignat'ev V.K., Nikitin A.V., Perchenko S.V., Stankevich D.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2012/771
8. Henry, M.P., Clarke D.W. The self-validating sensor: rationale, definitions and examples. Oxford: Department of Engineering Science, 1993. pp 585-610.
9. Xu,X. Maintenance and Reliability Center. 2000. pp.12-14
10. Solov'ev G.E., Voronova N.P. Izvestija RGSU. 2011. № 115. pp.112-115
