MATLAB.Exponenta
–Û·Ë͇ Matlab&Toolboxes

Simulink

Работы-участники конкурса Simulink-моделей.

Имитационная модель высоконелинейного металлоксидного варистора на основе ZnO

архив работы zip-файл

Кротенок Владимир Владимирович, аспирант, Гомельский государственный технический университет им. П.О. Сухого Беларусь, Matlab_Sim@rambler.ru

Прохорчик Максим Анатольевич, студент, Гомельский государственный технический университет им. П.О. Сухого, Ppohar@tut.by

Металлооксидный варистор ( МОВ) представляет собой структуру легированных кристаллов ZnO и полупроводниковых барьеров из окислов других металлов.

Вольтамперная характеристика МОВ (см. рис. 1 ) обладает такой нелинейностью, что при увеличении напряжения в два раза, ток через МОВ возрастает на несколько порядков.

рис. 1. Ампервольтная характеристика МОВ

Этот факт позволяет применять МОВ для создания защитных. Осциллограмма идеального варистора представлена на рис. 2.

рис. 2. Осциллограммы напряжения и тока идеализированного МОВ

Однако резонансные перенапряжения имеют частоты превышающие номинальную частоту сети в десятки раз.

Ниже приводятся осциллограммы полученные при исследовании реального ОПН (ограничитель перенапряжений нелинейный) выполненного на основе МОВ на напряжение срабатывания 750 В рис. 3.

Напряжение ограничения Uref = 750 В

Амплитуда несущей Umn = 900 В

Частота несущей 50 Гц

Амплитуда гармоники Umg = 3200 В

Частота гармоники 3800 Гц

рис.3. Осциллограмма напряжения и динамическая вольтамперная характеристика реального МОВ

Из рис.3. видно, что реальный МОВ обладает инерционностью, которой не всегда можно пренебрегать, кроме того, ток через МОВ имеет емкостную составляющую.

До настоящего времени нет количественной теории прогнозирования электрические свойства МОВ, Так же нет устоявшегося представления об их энергетической зонной структуре. Кроме того сложная природа многих процессов протекающих в электрических сетях делает весьма затруднительным их аналитическое описание. По этому имитационное моделирование является достаточно эффективным на данный момент инструментом исследования свойств МОВ.

В предлагаемой модели МОВ предусмотрено:

1. Статическая ВАХ

2. Инерционность

3. Тепловое действие тока

4. Разрушение

Исходными данными являются осциллограммы тока и напряжения, а также справочные данные изменения удельного сопротивления и удельной теплоемкости от температуры рис. 4

рис. 4. зависимость удельной теплоемкости от температуры - а (кривая 4),

удельного сопротивления - б (кривая 3).

Структура модели имеет вид рис. 5.

рис. 5. Структура Simulink модели

Simulink модель рис. 5. имеет один входной порт u , на который поступает сигнал с измерителя напряжения, равный напряжению на МОВ, и один выходной порт I , с которого поступает, сигнал равный току МОВ, на управляемый источник тока.

Блок 1 реализует статическую вольтамперную характеристику МОВ. Блок 1 имеет два входных порта на которые поступают сигналы: порт U(t-tau)-напряжение с учетом инерционности, порт p(to)/p(T)-во сколько раз проводимость, соответствующая текущей температуре МОВ, больше проводимости, которая соответствует аппроксимации статической вольтамперной характеристике МОВ. С выходного порта Блока 1 снимается сигнал равный току через МОВ, который определяется выражением:

где - коэффициенты зависящие от типа варистора, определяются экспериментально.

- коэффициент равный изменению удельного сопротивления от температуры,

Uref - напряжение ограничения,

u - напряжение на МОВ

Блок 2 рис.6. реализует инерционность

Передаточная функция имеет вид

где - постоянная времени и определена следующим образом:

Осциллограмма полупериода напряжения на варисторе представлена на рис. 6.

рис.6. Осциллограмма полупериода напряжения на варисторе

Зная время задержки d необходимо определить . При воздействии на инерционное звено первого порядка гармоническим сигналом u1(t), на выходе получим сигнал u2(t) , рис.7.

При сопоставлении рис.6. ирис. 7. очевидно, что варистор открывается в при достижении сигнала u2(t) точки А рис. 7. Амплитудно-частотная характеристика инерционного звена первого порядка имеет вид:

тогда

Из рис.7. определяем

где

рис.7.

окончательно уравнение для определения имеет вид

Подставив параметры Uref, Um1, , d=79мкс получим

Блок 3 рис.6. определяет тепловое действие тока и выполнен по схеме рис. 8.

рис.8. Подсистема определяющая тепловое действие тока

Входными параметрами являются

Ток I, напряжение U, диаметр МОВ D, длина МОВ L, масса m, температура окружающей среды To;

Выходные параметры

Tтекущее значение температуры МОВ T, рассееное количество теплоты в окружающую среду Qras, а так же разница температур Т-То.

Данный блок решает следующую систему уравнений

где F- площадь рассеяния, - коэффициент теплопередачи, , зависимость удельной теплоемкости от температуры рис. 5а, аппроксимирована выражением

.

Блок 4 рис.6. определяет по текущей температуре МОВ во сколько раз изменилось удельная проводимость на данный момент. выполнен в виде двух подсистем рис.9., в которых аппроксимирована зависимость рис.5б.

Верхняя подсистема po (рис. 9.)определяет значение удельного сопротивления для температуры при которой снимались данные для аппроксимации статической вольтамперной характеристики, вторая - текущее значение удельного сопротивления.

Блок 5 рис. 6. осуществляет разрушение. Устройство блока 5 приведено на рис . 10. Этот блок имеет один управляющий вход, на который подается текущее значение температуры МОВ( порт Т1 рис.10.), и два коммутируемых входа, на которые поступают сигналы равные значениям напряжения на МОВ и тока МОВ (порты U1 и I1 рис. 10.), при значении температуры МОВ ниже предельного эти входы соединены с выходами ( порты U2 и I2 рис. 10).

При превышении значением текущей температурой Т (порт Т1 рис. 10) предельного значения , срабатывает переключатель Switch5 подает на управляющий вход переключателя Switch1 сигнал превышающий значение достаточное для переключения ( все переключатели данного блока идентичны), последний переключается на константу значение которой превышает предельное, и тем самым отключает весь блок входного сигнала текущего значения температуры, переключатели Switch4 и Switch2 замыкают выходные порты на ноль. Предельная температура, при которой происходит разрушение МОВ принята равной 1000К.

Осциллограмма напряжения, ампервольтная характеристика модели при имитации реального лабораторного стенда, за которым были получены характеристики рис. 4. представлены на рис. 11.

рис.9. определение во сколько раз изменилось удельная проводимость на данный момент

рис.10. имитация разрушения

рис.11. осциллограмма и , ампервольтная характеристика SimPowerSystem модели МОВ.

В окно задания параметров стандартного элемента Surge Arrester библиотеки SimPowerSystem добавлены следующие параметры: Summary length varistirs (m) - Общая длина варисторов (м), Summary mass varistors (kg) - Суммарная масса варисторов (кг), Diameter varistor (m) - Диаметр варистора (м), Air temperature (K) - Температура воздуха (окружающей среды) (К), Destruction temperature (K) - Темпратура разрушения (К), Coefficient transference heat ( kg/(K*s^3)) - Коэффициент теплопередачи ()


Поиск по сайту:

Система Orphus

Яндекс.Метрика