دانلود پروژه رشته برق درباره فیوز های الكتریكی – قسمت اول

دانلود پایان نامه

مقدمه

فیوز وسیله ای است جهت محافظت از مدارهای الكتریكی در مقابل بروز اشكالات ناشی از عبور جریان اضافی در آن، كه به وسیله ذوب شدن و قطع المنت داخلی آن كه معمولاً از جنس نقره یا مس می باشد مدار باز شده و جریان بصورت آنی قطع می گردد.

شكل 1- اجزاء تشكیل دهنده یك نوع فیوز ولتاژ پایین را نشان می دهد كه ممكن است در آن بیش از یك المنت به صورت موازی در داخل محفظه ای كه از ماسه كوارتز پودر شده و یا پودر چینی پر شده است وجود داشته باشد. بدنة فیوز معمولاً از جنس سرامیك و گاهی ممكن است از فایبر گلاس آمیخته با رزین ساخته شود. در هر یك از دو انتهای بدنه، یك كلاهك برنجی پرس شده وجود دارد كه المنتهای داخلی به آن متصل به كلاهكهای آن انجام می شود. كه متناسب با كاربرد فیوز دارای انواع مختلفی است.

نکته مهم : برای استفاده از متن کامل تحقیق یا مقاله می توانید فایل ارجینال آن را از پایین صفحه دانلود کنید. سایت ما حاوی تعداد بسیار زیادی مقاله و تحقیق دانشگاهی در رشته های مختلف است که می توانید آن ها را به رایگان دانلود کنید

هنگامیكه جریان اضافه برای مدت زمان كافی از مداری عبور كند به شرح زیر به تجهیزات آن مدار صدمه مدار می سازد.

الف- حرارت اضافه یا گرمای زیاد به بستگی به مربع مقدار مؤثر جریان عبوری از مدار دارد كه در اثر آن ممكن است به واسطه كار در درجه حرارت بالا، به عایقهای مدار صدمه جبران ناپذیری وارد شود. اگر جریان به قدر كافی زیاد باشد. ممكن است هادیهای فلزی مدار نیز ذوب شوند.

ب- نیروهای الكترو مغناطیسی كه متناسب با مربع پیك جریان هستند. تحت شرایط خطای اتصال كوتاه سنگین، ممكن است شكست مكانیكی تجهیزات اتفاق افتد، بویژه اگر درجه حرارت نیز بالا باشد كه در این صورت چون مقاومت مكانیكی مواد عمدتاً با افزایش درجه حرارت كاهش می یابد اثرات مخربتری به وجود می آید.

بعضی قطعات مانند نیمه هادیهای قدرت بالا، به انرژی آزاد شده در قطعه در خلال یك پالس كوتاه مدت حساس هستند. اگر مقاومت اهمی قطعه ثابت انتخاب شود در این صورت انرژی آزاد شده در یك پالس با مدت T متناسب با خواهد بود. این انتگرال عموماُ به عنوان « i2 t» پالس شناخته می شود.

طرحهای مختلف فیوز برای حفاظت انواع مختلف تجهیزات الكتریكی در مقابل اثرات جریان اضافی و یا انرژی اضافی فوق الذكر وجود دارند كه از آنجائیكه از بحث این كتاب خارج می باشد در مورد آنها صحبت نمی گردد. خوانندگان عزیز می توانند به بروشروهای تبلیغاتی شركت فیوزسازی مراجعه نمایند.

نمودارهای عمومی

به عنان اولین قدم در درك طریقه ای كه یك فیوز عمل می كند( با بعضی اوقات می سوزد)، نمودارهای عمومی جریان، ولتاژ و درجه حرارت فیوز در طی یك عمل قطع نشان داده شده در شكل های (2)، (2-3)،(2-4)،(2-5) را در نظر بگیرید.

جریان انتظاری نشان داده شده روی این شكلها جریانی است كه در مدار جاری می شد اگر فیوز عمل نمی كرد و همچنین امپدانس المنت فیوز صفر در نظر گرفته می شد. بعد از وقوع یك خطا كه باعث عبور جریان و بدنبال آن باعث عملكرد دقیق می گردد، دو ناحیه متمایز زمانی وجود دارد. یكی زمان قبل از ایجاد قوس و دیگری زمان برقراری قوس است.

دراثنای زمان قبل از قوس یا به عبارتی پیش قوس ( زمان ذوب شدن) درجه حرارت المنت فیوز آنقدر افزایش می یابد تا اینكه نقطه ذوب فلز در یك یا چند نقطه از طول المنت فرا می رسد. سپس المنت فیوز قطع شده و بین دو انتهای ذوب شدة المنت كه پاره شده است قوس الكتریكی برقرار می گردد. در لحظه برقراری قوس یك افزایش قابل ملاحظه در ولتاژ دو سر فیوز ایجاد می گردد كه دلیل آن بعداً توضیح داده می شود. در اثنای زمان قبل از قوس، وقتی كه جریان مدار بسیار زیاد است، یك افزایش جزئی در ولتاژ دو سر فیوز مشاهده می شود، كه این ناشی از مقاومت اهمی المنت فیوز است كه با درجه حرارت افزایش یافته است.

جرقه، در خلال و در فاصلة زمانی برقراری قوس ادامه می یابد تا سرانجام قطع نهائی جریان فرا می رسد و قوس خاموش می گردد.

شكل های (2-2) و (2-4) نمودارهایی را در شرایط اتصال كوتاه برای مدارات   dc و ac در یك حالت خاص نمایش می دهند. چنانكه از این اشكال دیده می شود فیوز جریان خطای مورد انتظار را قطع می كند یعنی جریان خطا را در یك مقدار كمتر از پیك جریان انتظاری محدود می نماید. این محدودیت جریان، یكی از خواص مهم فیوزها ست كه اثرات حرارتی و الكترو مكانیكی را بطور جدی و موثر كاهش می دهد. در این شرایط اندازه زمان قبل از قوس و قوس تقریباً مساوی می باشند.

شكلهای ـ2-3) و (2-5) مجدداً نمودارهایی را برای مدارات dcو ac نشان می دهند در این موارد جریان های انتظاری نسبتاً پایین هستند( همانند جریان اضافه بار) كه منجر به گرم شدن آهسته وتدریجی فیوز می شود. در این حالت زمان قبل ازقوس نسبتاً طولانی و شاید هم چند ساعته است ولی زمان جرقه در مقایسه با آن بسیار ناچیز است. شكل (2-5) نشان می دهد كه قبل از اینكه جریان كاملاً متوقف گردد جریان مدار ممكن است چندین نیم سیكل ac را طی نماید.

شكل

بنابراین به نظر می رسد كه در بعضی از موارد خاموش شدن قوس موقعی كه جریان پایین است مشكل تر از وقتی است كه جریان زیادی خصوصاً در مواقع اتصال كوتاه از مدار عبور می نماید. دلیل این امر در قسمتهای بعدی توضیح داده می شود.

توزیع گرما و حرارت در المنت فیوز

رفتار و عملكرد اشاره شده فوق الذكر دقیقاً بستگی به توزیع گرما در طول المنت قبل از ذوب شدن دارد.

همچنانكه از روی شكل مشخص است درجه حرارت المنت در لحظات اولیه عبور جریان در سرتاسر طول المنت و در تمام آن بطور یكنواخت پخش می شود زیرا كه زمان كافی جهت افت و اتلاف حرارت در اثر انتقال به كلاهكهای در سر فیوز وجود ندارد. با پیشرفت زمان منحنی توزیع گرما تقریباً به صورت بیضی درآمده و گرمترین نقطه در وسط المنت خواهد بود.

این بدان معنی است كه در اتصال كوتاههای شدید كه دامنه جریان بسیار زیاد است، درجه حرارت در زمان ذوب بطور یكنواخت در سرتاسر طول المنت فیوز توزیع می گردد و در نتیجه المنت سریعاً ذوب شده و قوسهای متعددی ایجاد می گردد. بالعكس اگر جریان كم باشد زمان قبل از قوس افزایش یافته و درجه حرارت وسط المنت ایجاد می گردد. بنابراین توزیع گرما در المنت درست قبل از ذوب آن نه تنها مشخص می كند كه آیا قوس تكی یا چند تائی است بلكه تأثیر عمقی دررفتار و عملكرد فیوز در فاصله زمانی قوس دارد.

جریان نامی و حداقل جریان ذوب شدن فیوز

جریان نامی تعیین شده برای یك فیوز فرقی با میزان جریان تعیین شده بری سایر تجهیزات الكتریكی ندارد. به عبارت دیگر جریان نامی، جریانی است كه توسط كمپانی سازندة فیوز تعیین گردیده كه فیوز می تواند تحت شرایط كاری خود بطور پیوسته و مداوم و بدون سوختن، آن را از خود عبور دهد. جریان نامی فیوز توسط حداكثر درجه حرارتی كه قطعات فیوز( خصوصاً المن فیوز) مجاز است بطور مداوم و پیوسته در آن كار كند تعیین می شود. بنابراین بیان مرز یا حد مقدار جریان یك فیوز و پیوسته در آن كار كند تعیین می شود. بنابراین بیان مرز یا حد مقدار جریان یك فیوز ما را به سوی اینكه فیوز قابلیت یا توانائی محافظت از وسیله و ابراز الكتریكی را دارد هدایت نمی كند و جریانی بیش از حداكثر جریان ( جریان نامی) مورد نیاز است تا باعث ذوب شدن المنت یا سوختن آن شود.

حداقل جریان ذوب شدن فیوز [1] (mfc) كمترین مقدار جریانی است كه منجر به ذوب شدن المنت فیوز می شود. این چنین ذوب شدنی تا زمانیكه منجر به قطع گردد به قطع گردد. بطور تئوری می تواند در فاصله زمانی های مختلفی صورت پذیرد، اما در عمل جریانی كه باعث سوختن یا ذوب شدن فیوز در ظرف چند ساعت گردد به عنوان (mfc) تعریف می شود

فاكتور ذوب [2] به شرح زیر تعریف می گردد:

حداقل جریان ذوب = فاكتور فیوز
مقدار جریان نامی (غیر ذوب)

كه معمولاً این فاكتور مابین 25/1 -2 می باشد و نسبت به طرح و نوع و فیوز متغیر است. بنابراین فاكتور ذوب اصولاً به فاصله موجود بین نقطه ذوب فلز المنت فیوز و حداكثر درجه حرارتی كه فلز المنت فیوز بطور پیوسته و مداوم مجاز است كه در آن كار كند، بستگی دارد.

فاكتور ذوب یك مفهوم مفید و كلی است و با آزمایش به طریقی كه در استانداردهای فیوز مشخص شده است به خوبی بدست می آید اما كاربرد آن خالی از مشكلات نیست. در عمل حداقل جریان ذوب می تواند بر حسب محیطی كه فیوز در آن مورد آزمایش واقع می شود بطور قابل ملاحظه ای تغییر یابد و همچنین مشكلی كه در تعریف مقدار زمان بی نهایت وجود دارد یك اصل واضح و آشكار است كه كاربرد این فاكتور مفید را بطور دقیق تحت سئوال می برد.

استاندارد IEC با مشخص نمودن زمان لازم برای ذوب، دو جریان ذوب و غیر ذوب را تعریف می كند. جریان غیر ذوب همان جریان نامی فیوز است در حالیكه جریان ذوب می باید توسط كارخانه سازنده مشخص گردد كه معمولاً با داشتن فاكتور ذوب می تواند محاسبه شود. بنا به تعریف، جریان ذوب جریانی است كه فیوز در یك زمان قراردادی مشخص قطع می گردد.

زمان برقراری مدت زمانی است كه در زمان حرارت درطول فیوز به حالت ماندگار رسیده است و از این رو برای فیوز های بزرگتر با ظرفیت حرارتی بالاتر این زمان طولانی تر می شود. به فرض اینكه ازشرایط آزمایشی استاندارد IEC استفاده شود زمان قراردادی برای فیوزهای ولتاژ پایین به شرح زیر تعیین شده اند.

زمان برقراری بر حسب ساعت (h) مقدار جریان نامی فیوز بر حسب آمپر(In)
1

2

3

4

 

مشخصه های جریان- زمان

نمونه ای از مشخصه جریان- زمان، كه زمان قبل از قوس را به مقدار موثر     (r.m.s) جریان انتظاری نسبت می دهد در شكل ( 2-7) ترسیم شده است. اگر جریان عبوری از فیوز كمتر از حداقل جریان ذوب باشد یك خط حرارتی ثابت و ماندگار ایجاد می شود. در این شرایط مقدار تولید گرما در داخل المنت فیوز كه همان انرژی گرمائی ژول است با اتلاف گرما و انتقال آن به محیط اطراف فیوز دقیقاً به حالت تعادل آمده است. گرما به دو صورت منتقل می گردد:

اولی از طریقه هدایت محوری در طول المنت فیوز به كلاهكهای دو سر فیوز و دومی به وسیله هدایت از طریق پوتدر چینی پر كننده داخل بدنه فیوز و سپس از طریق كنوكسیون و تشعشع در فضای محیط اطراف فیوز:

هنگامیكه- جریان در فیوز از حداقل ذوب بیشتر می شود، انرژی گرمائی ژول تولید شده بیش از گرمای اتلاف شده گردیده و درجه حرارت المنت فیوز شروع به افزایش می نماید پیش از آنكه بتواند به شرایط تعادل گرمائی جدید برسد عمل ذوب شدن المنت و سوختن فیوز اتفاق می افتد. اگر جریان انتظاری را باز هم افزایش دهیم، زمان ذوب شدن كاهش می یابد. این نسبت معكوس بین زمان و جریان این واقعیت را كه فلز المنت فیوز دارای ضریب حرارتی مثبت مقاومتی است تأیید می كند، یعنی اینكه المنت گرمتر دارای مقاومت الكتریكی بیشتر است و در نتیجه افزایش انرژی گرمائی ژول را در پی دارد.

برای جریانهای انتظاری خیلی بالا، فرصت و زمان كافی جهت اتلاف و افت گرما كه قابل توجه باشد وجود ندارد و می توان فرض نمود كه تمامی انرژی داده شده به المنت بصورت انرژی گرمائی در المان با افزایش درجه حرارت المنت ذخیره گردیده است.

الف- در ناحیه زمان طولانی مقدارخنك كنندگی محیط اطراف اهمیت دارد، در این ناحیه شرایط گرمائی موجود بصورت تدریجی تغییر می نماید. بنابراین عواملی نظیر درجه حرارت محیط، تهویه هوا، اندازه كابل های اتثال و باس بارها، باعث تغییرات مشخصه جریان- زمان خواهد شد.

ب- در ناحیه زمانی كوتاه، زمان قبل از قوس قابل مقایسه با ثابت های زمانی مدار الكتریكی تغذیه كننده فیوز می باشد و اثر شكل موج جریان انتظاری با اهمیت تلقی می شود. در حالیكه در ناحیه زمان طولانی اینطور نیست زیرا كه در این ناحیه فقط اثر تكمیل شده موج كه به مقدار موثر) (r.m.sجریان بستگی دارد، زمان ذوب شدن را مشخص می كند. برای زمانهای كوتاه، زمان ذوب شدن برای یك جریان انتظاری (r.m.s داده شده ( نسبت به اینكه ثابت زمانی مدار تغذیه چقدر باشد و اینكه برای یك جریان a.c در چه نقطه از موج ولتاژ مدار را بسته ایم) می تواند بطور وسیعی تغییر نماید.

پراكندگی جریان در ناحیه زمان كوتاه بعضی اوقات بوسیله ترسیم مشخصه در این ناحیه بر حسب زمان واقعی tv قابل نمایش است. این ایده بر اساس فرضیه ایكه انتگرال I2t قبل از برقراری قوس ثابت است پایه گذاری شده است. زمان واقعی زمانی است ك فلز المنت فیوز ذوب می شود در صورتیكه جریان در تمام لحظات ثابت و برابر مقدار مؤثر   (r.m.s) جریانانتظاری (I) باشد.

در این صورت:

بنابراین انتگرال I2t قبل از برقراری قوس می تواند از طریق یك آزمایش به دست آید. بهرحال مفهوم زمان واقعی، از نظر عمل كاربرد چندانی ندارد.

قوس الكتریكی

تشكیل اولیه قوس در داخل یك فیوز به طریقه ای كه المنت فیوز اصطلاحاً خرد می گردد وابسته است. بعضی از محققان قدیمی معتقد بودند كه قبل از آنكه قوس الكتریكی شروع شود تمام المنت فیوز می بایست تبخیر شود. برای تبخیر یك گرم نقره ابتدا باید حرارت به نقطه ذوب برسد و سپس در نقطه ذوب جامد به حالت مایع و سپس به نقطه جوش رسیده و بالاخره در نقطه جوش مایع تبدیل به بخار گردد.

ولی اندازه گیری ها نشان داده است كه فقط لازم است. درجه حرارت المنت به نقطه ذوب افزایش پیدا كند و حدوداً 25% از آن به حالت مایع تغییر شكل دهد در این نقطه المنت نا پایدار است و نیروی الكترو مغناطیسی بحرانی و سایر نیروها توسط پروسه ایكه كاملاً قابل درك نیستند باعث قطع سریع المنت می گردند. بعضی اوقات سیمهای گرد با فرم دادن اولیه به صورت ناهمگن ( باریك و ضخیم) درآمده و قطع شدن در محل باریك سیم باعث ایجاد یك سری قوسهائی می شود كه به قطر سیم و اندازه طول المنت بستگی دارد. در دانسیتة جریان زیاد، خرد شدن هر قوس( در فیوزی كه با پودر شنی پر شده است) حدود 50 ولت می باشد بنابراین وقتی كه المنت فیوز در نقاط زیاید ذوب شود، قوسهای كوچك در نقاط مختلف المنت فیوزایجاد می شود كه با توجه به اینكه ولتاژ دو سر هر قوس 50 ولت می باشد، باعث می گردد كه ولتاژ در طول فیوز به طور ناگهانی از مقدار كم به مقداری برابر با جمع ولتاژ های ایجاد شده در طول المنت ( كه n تعداد سری قوسهای الكتریكی است) پرش داشته باشد. افزایش ناگهانی در ولتاژ فیوز ممكن است به عنوان نیروی محركه (emf) برگشتی تعبیر شود كه جهت آن خلاف جهت جریان است و با عث كاهش مقدار افزایش جریان می شود.

و جریان مدار با ارتباط زیر تعریف می گردد:

   (1)  

كه در آن:

u(t)=V(t) ولتاژ منبع
i جریان مدار
UF=Varc ولتاژ دو سر فیوز در زمان ذوب
R مقاومت مدار
L اندوكتانس مدار می باشند.

در مدت زمان قبل از ایجاد قوس uf خیلی كوچك است و بنابراین اثر ناچیزی روی نرخ رشد جریان دارد وقتی كه قوس ها بوجود می آیند مقدار uf بزرگ می شود. اگر باشد، منفی شده و بنابراین جریان مدار محدود می گردد.

برای از بین بردن سریع اتصالی مدار، ولتاژ قوس الكتریكی می باید زیاد باشد شكل (2-11) نشان می دهد كه چگونه این موضوع عملاً با استفاده از المنت چند شیاری كه با ماسه پرشده باشد بدست می آید. ولتاژهای قوسهای الكتریكی در دو مورد زیر زیاد می شود:

الف- پدیده سوخت به عقب burnback كه موجب افزایش در طول قوس می شود

ب- خنك كردن با جذب گرما از قوس الكتریكی بتوسط ذوب ماسه های اطراف و جوش خورد آنها به یكدیگر كه گرمای ذخیره شده در قوس را جذب می كند. انتخاب تعداد محل اتصالات المنت امكان كنترل تغییرات دینامیكی ولتاژ قوس الكتریكی را در طراحی به وجود می آورد.

همچنانكه ایجاد قوس پی می رود ماسة اطراف كانال قوس به شكل یك لولة توخالی در می آید كه به «فولگرایت» معروف است. این پروسه و فرآیند درشكل (2-12) نشان داده شده است.

متأسفانه مدار تحمل ولتاژی مدارهای جانبی همانطوری كه در شكل (2-13) نشان داده شده است محدود است. بنابراین در طراحی فیوز ولتاژ قوس را نمی تون از حدی زیادتر برد تا باعث قطع سریع مدار گردیم، چرا كه انجام این عمل ممكن است به وسائل مدارهیا جانبی آسیب برساند.

بنابراین مشكل طراح فیوز این است كه بتواند فیوزی تولید كند كه توانائی قطع سریع را داشته باشد بدون اینكه بنحو خطرناكی ایجاد ولتاژ در مدار نماید.

فیوزهای محدود كنندة جریان

فیوزهائی كه ولتاژ های قوس الكتریكی بالا را تولید می كنند و این ولتاژ ها را در مدت زمان برقراری قوس حفظ می نمایند می تواننند جریان را درمدار به مقداری خیلی پایین تر از حد بالای (پیك) جریان مورد انتظار محدود كنند. مشخصه قطع فیوز در شكل (2-14) نشان داده شده است. فیوزهای با المنت های دندان اره ای متعدد در داخل ماسه ذاتاً تمایل به محدود كردن جریان عبوری دارند.

برای دیدن قسمت های دیگر این تحقیق لطفا” از منوی جستجوی سایت که در قسمت بالا قرار دارد استفاده کنید. یا از منوی سایت، فایل های دسته بندی رشته مورد نظر خود را ببینید.

با فرمت ورد

Leave a comment