Основные принципы построения пусковых реостатов на полупроводниковых термосопротивлениях Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Основные принципы построения пусковых реостатов на полупроводниковых термосопротивлениях

Н.П.Воронова, В.Н.Носков Ростовский государственный университет путей сообщения, г. Ростов-на-Дону

Аннотация. Применение маломощных терморезисторов в составе пусковых устройств требует наличия промежуточной аппаратуры и различных компонентов, что значительно снижает надежность аппаратуры. Увеличение токов, протекающих через пускорегулирующие устройства, упрощает электрические схемы управления и регулирования. Для использования терморезисторов в цепях с большими токами необходимо использовать особые конструкции, с целью недопущения перегрева материала терморезистора.

В статье приведены конструктивные особенности исполнения полупроводниковых поликристаллических термозависимых сопротивлений. Даны алгоритмы для синтеза пусковых реостатов. Приведены зависимости, характеризующие различные пусковые модели.

Ключевые слова: полупроводниковые термосопротивления, модели пусковых токов, обобщенные токовые характеристики.

Существуют различные способы пуска электродвигателей. Реостатный способ предусматривает трехступенчатый разгон двигателя, в связи с чем в моменты переключения и шунтирования пусковых сопротивлений резко возрастает сила тока и возникают значительные динамические нагрузки как в электроприводе, так и в приводном механизме. Вместе с тем, схема, реализующая данный способ, требует значительного количества релейно-контакторной аппаратуры, что усложняет и удорожает эксплуатацию, а также снижает ее надежность [1].

Тиристорные устройства, используемые в схемах пуска электродвигателей, обладают определенными достоинствами, но отличаются высокой стоимостью, сложностью схем и требуют высококвалифицированного обслуживания. Они выгодны только в тех случаях, когда необходимо обеспечить строгий режим разгона двигателя в соответствии с заданным графиком.

Ступенчатость применения релейно-контакторного управления приводит к появлению значительных бросков тока и резких изменений

динамического момента в процессе пуска, что зачастую может служить причиной выхода из строя электропривода [8].

Уменьшить эти деструктивные явления можно путем увеличения числа ступеней, однако ступенчатое регулирование невыгодно с точки зрения потерь электроэнергии, что особенно сказывается при частых пусках.

Перспективным направлением создания пусковых и пускорегулирующих устройств, в значительной степени исключающих большинство приведенных недостатков, являются реостаты, построенные на сильноточных полупроводниковых поликристаллических терморезисторах. Их основными достоинствами являются автоматизация пуска, почти полное отсутствие коммутирующей аппаратуры, простота, дешевизна и малые габариты [6, 7].

Пусковые устройства, построенные на сильноточных полупроводниковых термозависимых сопротивлениях (ПТС) выгодно отличаются от существующих. Они предназначены для ограничения пиковых бросков тока, для уменьшения динамических нагрузок на различные электрические машины и аппараты.

1

/

/

Рис. 1 Конструктивное исполнение терморезистора

1 - внутренний электрод; 2 - полупроводниковая композиция; 3 - внешний электрод.

Синтез пусковых реостатов по своей математической сущности относится к задаче оптимального управления по параметрам при ряде технических ограничений на фазовые траектории (кривые набора оборотов, пускового тока, температуры нагрева терморезисторов).

Система дифференциальных уравнений, описывающая пусковой процесс электродвигателя постоянного тока с помощью терморезисторов, имеет вид [2, 4]:

где/ - ток электродвигателя (А);

ю - скорость электродвигателя (1/с);

М(/) - вращающий момент двигателя, зависящий от потребляемого им тока (НМ). Функция М(/) известна и определяется током электродвигателя;

Мс(ю) - момент сопротивления, в общем случае зависящий от скорости вращения двигателя (Н*м). Функция Мс(ю), как правило, также известна, определяется механической характеристикой производственных механизмов; Ср - теплоёмкость ПТС, определяемая его массой, линейно зависящая от

абсолютной температуры (Дж/град); а - коэффициент теплоотдачи при данных условиях охлаждения

(Вт/м3*К); © - температура перегрева ПТС (К); ^ - площадь поверхности полюса ПТС (мм2).

Без ущерба для последующего анализа, в уравнении (2) можно опустить слагаемое, учитывающее теплообмен с окружающей средой. Это возможно потому, что мощные ПТС, в основном, предназначены для работы

в быстро протекающих переходных режимах, длительность которых соизмерима с постоянной времени резистора. Так как энергия, рассеиваемая резистором в окружающую среду, составляет приблизительно 3-5 % от общего расхода, это позволяет вести расчеты реостатов на ПТС по несколько упрощенной методике, пренебрегая теплоотдачей. При длительных запусках (свыше 3-5 секунд) такой теплообмен может быть учтен добавлением опущенного слагаемого [8].

Как видно из системы (1-2), переходный пусковой режим электродвигателя зависит как от массы реостата, так и от его электрического сопротивления, определяемого, в свою очередь, конфигурацией, а именно, либо схемой реостата - при его компоновке из стандартных элементов, либо конфигурацией его целостной конструкции. При этом указанные параметры должны быть таковы, чтобы пусковой процесс протекал в рамках технических ограничений по температуре ПТС, по току и по времени пуска. Выбор этих параметров и составляет проблему синтеза пусковых реостатов на ПТ [3].

Рассматриваемый терморезистор описывается тремя основными размерами (см. рис. 1):

г] - радиус внутреннего электрода; г2 - радиус внешнего электрода; I - длина активной части ПТС;

В данном случае, если фиксировать Г], что чаще всего и делается в реальных условиях, то под продольным параметром подразумевается длина терморезистора I, а под поперечным параметром величина г].

Если по каким-либо причинам потребуется изменение величины г], то для этого необходимы дополнительные условия в виде уравнения (9)

Первоначально принимая в качестве изменяемых параметров Г1 и I, выразим константы конструктивного подобия пусковых реостатов через исходные показатели и регулировочные параметры следующим образом:

сопротивление терморезистора,

- сопротивление якоря электродвигателя;

- сопротивление пускового реостата;

- сопротивление терморезистора при бесконечно большой

температуре;

В - коэффициент термической чувствительности; Т0 - начальная температура ПТС;

Соб- удельная объёмная теплоёмкость полупроводниковой композиции. Решив совместно уравнения (3) и (4) можно определить искомые значения 1и г2 уравнений (5 и 6).

Однако трансцендентный вид этих уравнений не позволяет получить решения в явном виде с достаточной точностью

(3)

(4)

где иу - константы конструктивного подобия пусковых реостатов,

(5)

гдег-объём реостата на ПТС.

Графически это решение находится путём определения точки пересечения кривых 1и г^(рис.2)

(см) 20

-------.------1----- 1 1 1 1

1 | V ...........!-А- ( 1 1 1 1 1

I !/;\ 1 1 Ч 1 ' \ I 1

\ 1 \ 1 1 \ г

1 / ' 1 | ' 1

1 1 ......--------Т-- 1 \

1 1 1 1 1 • 1 ' 1 1 | 1 I | 1

0.4

0,8

.2

г:(см)

Рис.2 -Графическое решение системы (5-6)

В уравнении (6) принятое допущение относится к тому распространённому случаю, когда значением?! можно пренебречь.

Основным ограничением для ПТС является предельно допустимая (по нагреву) плотность тока 5доп около внутреннего электрода. Исходя из того, величина?! должна быть проверена по условию обеспечения допустимой

плотности тока

Если это условие не выполняется для некоторого заданного значения гг то этот параметр определяется из выражения:

:

■ = (9)

Изложенное выше позволяет предложить техническое решение, которое должно отвечать некоторым условиям оптимальности.

Применительно к пусковым устройствам для электродвигателей таких условий может быть поставлено несколько:

Минимальный расход энергии на осуществление пуска и разгона электродвигателя.

Наименьшие динамические воздействия при заданной длительности разгона.

Оптимальное время разгона.

Оптимальная кратность пускового тока.

Наименьшее отклонение кривой разгона от заданной формы.

Различным условиям оптимизации соответствуют и различные способы регулирования пуска и разгона электродвигателя.

Схема синтеза пусковых реостатов на ПТС сводится к следующему:

1. Задаем значения 10,/м= 1з ;

2. Величину начального сопротивления реостата^определяем по

величине/0, в зависимости от типа электродвигателя;

3. В соответствии с принятыми величинами в п.1 (рис.4) определяем величину у;

4. Совместное решение уравнений (5) и (6) даёт возможность получить искомые параметры пускового реостата [5].

На рисунке 3 показано изменение амплитудного значения пускового тока при различных у. Для получения нужного семейства кривых пусковых токов с монотонно возрастающей амплитудой (рис. 3) достаточно равномерно увеличивать обобщенную константу у. Это обеспечивает

практически адекватное протекание пускового процесса при некотором зафиксированном у и при самых различных сочетаниях величин В и Г0[10].

Рис. 3 - Зависимость пускового тока от величины у

На рис. 4 представлены зависимости (4), полученные на основании экспериментальных кривых вида рис. 3. Эти зависимости представляют собой обобщенные токовые характеристики реостатов на ПТС.

Hl Инженерный вестник Дона. №2 (2018) BJ ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2018/4844

I

7

6

S

4

3

2

i

0 2 4 6 S 10 /2 У

Рис. 4 - Обобщенные токовые характеристики реостатов на ПТС

В заключение следует отметить, что, несмотря на большое количество разнообразных требований, предъявляемых к режиму пуска электродвигателей, терморезисторы обеспечивают экономичный и надежный запуск, удовлетворяющий большинству условий при соответствующем подборе терморезисторного реостата.

Литература

1. Гавриленко А.В., Кирсанов А.Л., Елисеева Т.П. Основные направления энергосбережения в региональной экономике // Инженерный вестник Дона, 2011, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2011/340.

2. 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.

3. Воронова, Н.П, Соловьев Г.Е., Безуглый А.В. Синтез пусковых реостатов на полупроводниковых термосопротивлениях для

электроподвижного состава: монография; ФГБОУ ВПО РГУПС. Ростов н/Д, 2014. -103 с.

4. Мальцев В.Ф. Электрооборудование пассажирских вагонов. М: Маршрут, 2007. - 84 с.

5. Воронова Н.П., Носков В.Н. Формирование оптимальных моделей пусковых токов Инженерный вестник дона, 2017, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine archive/n4y2017/4402/.

6. Henry, M.P., Clarke D.W. The self-validating sensor: rationale, definitions and examples - Oxford: Department of Engineering Science, 1993, pp. 585-610.

7. Воронова, Н.П., Соловьев Г.Е., Безуглый А.В. Синтез пусковых реостатов на полупроводниковых термосопротивлениях для электроподвижного состава: монография; ФГБОУ ВПО РГУПС. - Ростов н/Д, 2014. - 103 с.

8. Xu, X. On-Line sencor calibration monitoring and fault detection forcemical processes //Maintenance and Reliability Center. - 2000, pp. 12-14.

9. Геращенко О.А. Температурные измерения: справочник// Киев: Наукова думка, 1984. -494 с

10. Соловьев Г.Е., Воронова Н.П. Пусковые устройства заданных параметров на полупроводниковых терморезисторах коаксиального типа // Вестник Восточноукраинского университета им. В. Даля. 2013. №3, ч. 1, с. 148-150.

References

1. Gavrilenko A.V., Kirsanov A.L., Eliseeva T.P. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2011, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2011/340.

2. Voronova N.P., Trubitsin M.A., Mikaelyan E.Y. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2015, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3101.

3. Voronova N.P., Solov'ev G.E., Bezuglyy A.V. Sintez puskovykh reostatov na poluprovodnikovykh termosoprotivleniyakh dlya elektropodvizhnogo sostava [Rheostatic starter synthesis with semiconducting thermistors for electrical rolling stock]: monografiya; FGBOU VPORGUPs. Rostov n/D, 2014. 103 p.: il. Bibliog.: pp. 99-100.

4. Mal'tsev V.F. Elektrooborudovanie passazhirskikh vagonov [Electrical equipment of passenger cars]. Moscow, Marshrut, 2007. 84 p.

5. Voronova N.P., Noskov V.N. Inzenernyi vestnik Dona (Rus), 2017, №4. URL: ivdon.ru/ru magazine/archive/n4y2017/4402.

6. Henry, M.P., Clarke D.W. The self-validating sensor: rationale, definitions and examples. Oxford: Department of Engineering Science, 1993, pp. 585- 610.

7. Voronova N.P., Solov'ev G.E., Bezuglyy A.V. Sintez puskovykh reostatov na poluprovodnikovykh termosoprotivleniyakh dlya elektropodvizhnogo sostava [Rheostatic starter synthesis with semiconducting thermistors for electrical rolling stock]: monografiya; FGBOU VPO RGUPS. Rostov n/D, 2014. 103 p.: il. Bibliog.: pp. 99-100.

8. Xu, X. On-Line sencor calibration monitoring and fault detection forcemical processes. Maintenance and Reliability Center, 2000, pp. 12-14.

9. Gerashchenko O.A. Temperaturnye izmereniya [Temperature measuring]: spravochnik, Kiev: Naukovadumka, 1984, 494 p.

10. Solov'ev G.E., Voronova N.P. Vestnik Vostochnoukrainskogo universiteta im. V. Dalya., 2013, №3, ch. 1, pp. 148-150.