بخشی از مقاله
چکیده
محدودکنندههاي PTC1 با استفاده از خاصیت افزایش مقاومت در دماهاي بالا قادر به محدود کردن جریانهاي اتصال کوتاه میباشند. از این رو در این مقاله ابعاد PTC که همانند محدودکنندههاي دیگر به صورت سري با کلید قرارداده شده است به گونهاي محاسبه گردیده که در وضعیت نرمال شبکه مقاومت بسیار پایینی داشته باشد؛ در نتیجه تلفات قابل توجهی در شرایط کار عادي نخواهیم داشت. از طرفی در زمان ایجاد خطا دماي آن باید به گونهاي بالا رود که به سرعت وارد ناحیه محدودکنندگی شده و جریان اتصال کوتاه را محدود کند. در نتیجه قطع جریان براي کلیدهاي قدرت آسان تر شده و هزینه ساخت این تجهیزات به مقدار قابل توجهی کاهش مییابد.به منظور در نظر گرفتن ملاحظات حرارتی و الکتریکی به صورت همزمان از نرمافزارهاي COMSOL و MATLABاستفاده شده است.
واژههاي کلیدي: محدودکننده جریان، کامپوزیت پلیمري، کلید قدرت، PTC
الف - مقدمه
با اتصال شبکهها به یکدیگر سطح جریان اتصال کوتاه در حال افزایش است. راههاي محدودکردن این جریان تاثیربسزایی بر روي طراحی تجهیزات، نگهداري سیستم و کیفیتتوان دارد. تا به امروز براي محدودسازي جریان از تکنولوژي-هاي متفاوتی استفاده شده است. یکی از این تکنولوژيها استفاده از PTC براي محدودسازي جریان است. در PTCمحدودکنندگی بر اساس انبساط شبکه پلیمري انجام میشود.این حرکت سریع که در ابعاد میکرومتر است در رنج میلیثانیه رخ میدهد و با استفاده از سنسورهاي لیزري قابل بررسی است.PTC از خاصیت افزایش مقاومت در دماهاي بالا براي محدود کردن جریان اتصال کوتاه استفاده میکند.
مشخصه مقاومتی این المان به گونهایست که تا دماي بحرانی TCمقاومت مقدار بسیار کمی را خواهد داشت، بنابراین PTCاثري بر روي عملکرد عادي شبکه ندارد. با عبور از این دمايمرزي، مقاومت PTC به مقدار زیادي افزایش یافته عملکردمحدودکنندگی آن آغاز می شود.براي اولین بار شرکت ABB در سال 1999 از PTC براي کاربرد در ولتاژ توزیع بهره گرفت و آزمایشاتی را بر روي آن هاي قدرت به عنوان محدود کننده جریان در سیستمPTC طراحی انجام داد. ولتاژ مورد نظر بین 3 تا 12 کیلو ولت بود. محققین براي انجام تست هاي اولیه از اتصال سري و موازي چندPTC استفاده کردند و براي توزیع یکنواخت ولتاژ از برقگیراستفاده شد. زمان محدود سازي در ولتاژ 12 کیلو ولت، از 1تا 1.5 میلی ثانیه متغیر بود. در طی 10 سال اخیر پژوهش هایی رابطه با PTC صورت گرفته است اما این المان هنوز به طور گسترده در شبکه ها استفاده نشده است.
ب - مواد تشکیل دهنده PTC و مکانیزم عملکرد آن
خصوصیت مهم PTC این است که با گذر دماي آن ازدماي بحرانی TC، مقاومت الکتریکی آن به صورت ناگهانیافزایش می یابد - شکل . - 1این ناحیه گذر به خوبی در مواد سرامیکی مثل ترکیباتی کهپایه آنها BaTiO3 می باشد و همچنین در ترکیبات پلیمري کهبهترین نوع شناخته شده آنها در این زمینه پلی اتیلن – کربن سیاه1 است، مشاهده می شود. این مواد کاربردهایی مثل
محدود کننده جریان، سنسور جریان، سنسور دما و هیترهايخودکار را دارند.در کامپوزیت پلی اتیلن و دوده تکههاي دوده به صورتتصادفی در شبکه کریستالی پلیمر مستقر میشوند و کانالهادي را براي جریان الکتریکی به وجود میآورند. تا زمانی که دما زیر نقطه ذوب پلی اتیلن است این حالت ترکیبی آمورف و کریستالی به صورت جامد باقی مانده و مقاومت ویژه اینترکیب با افزایش دما به میزان قابل توجهی تغییر پیدا نمیکندآنگاه این ماده شروع به ذوب شدن کرده و یک ناحیه جدید آمورف از پلیمرها را به وجود میآورد که به شدت جلوي هدایت را گرفته و مقاومت ویژه را افزایش میدهد - شکل. - 3واضح است که به سادگی میتوان هدایت بعد از نقطه ذوب را به غلظت مقدار دوده توزیع شده در حجم بزرگ آمورف پلیمر نسبت داد.
پ - مشخصات الکتریکی PTC
در این بخش به بررسی PTC در دو حالت کاري میپردازیم. حالت اول زمانی است که شرایط نرمال را داریم وPTC به عنوان یک مقاومت کوچک در شبکه قرار دارد. حالت دوم زمانی است که جریانهاي بالا سبب افزایش مقاومتPTC میشوند و در نهایت محدودکنندگی جریان را خواهیمداشت.
بررسی رفتار PTC در حالت ماندگار
براي بررسی رفتار PTC از مدل گفته شده در مرجع[5]استفاده شده است. شکل - - 4 مشخصه مقاومتی PTC را کهبراي انجام شبیه سازي ها از آن استفاده شده است، نشان میدهد. مقدار مقاومت ویژه از 10 mΩcm در دماي اتاق تا 10MΩcm در دماي 120 تا 130 درجه افزایش می یابد.]cmΩ[ ویژه مقاومت در شکل - - 5 نمایی از PTC نشان داده شده است. همانگونه که مشاهده میشود از یک وریستور سرامیکی به طور موازي با PTC استفاده شده است. مقدار مقاومت PTC در حالت کار عادي از رابطه - 1 - محاسبه می شود.Rcont در این رابطه نشان دهنده مقاومت اتصالات است.
نرخ افزایش دما از نرخ انتقال حرارت به محیط اطراف بیشترشود که این امر منجر به افزایش مقاومت و برقراري مجددتعادل در دماهاي بالاتر میشود.براي پیدا کردن دماي تعادل باید منحنیهاي توان الکتریکیورودي و توان تلف شده حرارتی را در یک منحنی رسم کنیم.نقطه برخورد این دو منحنی دماي تعادل را بدست میدهد.براي محاسبه توان حرارتی منتقل شده به محیط از رابطه زیراستفاده میکنیم.در این رابطه h ضریب انتقال حرارت، At سطح موثر انتقال حرارت، TS دماي سطح جسم و TA دماي محیط می باشند.بررسی رفتار PTC در حالت گذرادر حالت عادي جریان شبکه از PTC عبور می کند. این جریان کمتر از جریان Iu است. Iu ماکزیم جریانی است که یک PTC بدون اعمال محدود کنندگی می تواند از خود عبوردهد.
با عبور جریان خطا دماي PTC از مرز بحرانی عبورکرده و وارد ناحیه محدود کنندگی می شود. این افزایش دما سبب انبساط ماده پلیمري می شود و به تبع آن افزایش ناگهانی مقاومت را خواهیم داشت. این افزایش مقاومت، محدود شدن جریان را به دنبال دارد. افزایش ولتاژي که براثر کاهش ناگهانی جریان ایجاد می شود توسط وریستور بهسطح معینی محدود می شود.براي شبیهسازيهاي اولیه از مدار شکل - - 6 استفاده شده است. در این مدار R=0.95 mΩ،L=43.2 µH،Ueff = 220V ، Ipros = 16 kA و cos = 0.07 است. براي محاسبه دمايPTC
از رابطه زیراستفاده میشود.
