Ηλεκτρικός χαρακτηρισμός και μοντελοποίηση των βαρίστορ

Abstract

In this work, a generalized experimental methodology was developed for the electrical characterization of metal oxide varistors and for analyzing their behavior under DC and AC voltages of various frequencies (45 Hz – 1 kHz) and under electromagnetic pulses in a wide energy and frequency range. To study the response of metal oxide varistors, new mathematical expressions were developed to calculate their current conduction, power losses, and energy stress. Furthermore, an experimental methodology was developed to determine varistors voltage-current characteristic, dynamic inductance, and voltage-dependent capacitance. Based on the above, a model was developed for the electromagnetic transient simulation software ATP-EMTP to simulate varistors response in the time domain. The results of the proposed model were found to be in satisfactory agreement with experimentally obtained data regarding the current conduction of varistors, the residual voltage, and the power and energy dissipation in contrast to the results of standard models widely used in practical applications.

Στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκε μία γενικευμένη πειραματική μεθοδολογία για τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό και τη ανάλυση της συμπεριφοράς βαρίστορ οξειδίων μετάλλων υπό συνεχείς και εναλλασσόμενες τάσεις διαφόρων συχνοτήτων (45 Hz – 1 kHz) και υπό ηλεκτρομαγνητικούς παλμούς μεγάλου εύρους ενεργειακού και συχνοτικού περιεχομένου. Για τη μελέτη της απόκρισης βαρίστορ οξειδίων μετάλλων αναπτύχθηκαν νέες μαθηματικές σχέσεις για τον υπολογισμό του ρεύματος αγωγής, των απωλειών ισχύος και της ενέργειας καταπόνησής τους και αναπτύχθηκε μία πειραματική μεθοδολογία για τον προσδιορισμό της χαρακτηριστικής τάσης-ρεύματος, της δυναμικής αυτεπαγωγής και της εξαρτώμενης από τάση χωρητικότητας των βαρίστορ. Με βάση τα παραπάνω αναπτύχθηκε μοντέλο για την προσομοίωση της απόκρισης βαρίστορ στο πεδίο του χρόνου για το λογισμικό προσομοίωσης ηλεκτρομαγνητικών μεταβατικών καταστάσεων ATP-EMTP. Τα αποτελέσματα του προτεινόμενου μοντέλου βρέθηκαν σε ικανοποιητική συμφωνία με πειραματικά αποκτηθέντα δεδομένα όσον αφορά το ρεύμα αγωγής των βαρίστορ, την παραμένουσα τάση στα άκρα τους και την καταναλισκόμενη ισχύ και ενέργεια σε αντίθεση με αποτελέσματα τυπικών μοντέλων που χρησιμοποιούνται ευρέως σε πρακτικές εφαρμογές.